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大家好
欢迎来到 TI 精密实验室的培训视频
在本次培训视频系列中
我们将介绍一种称为全差分放大器
或者我们称为 FDA 的新型的放大器的结构
在介绍完全的差分放大器的结构和功能之前
先让我们了解下完全差分信号是什么
如图上所示
差分信号具有 180 度异相的两个互补输出
每个输出通过相同的直流共模电压
进行电平转换
最终的差分输出
是通过获取每个单端输出
之间的差值获得的
差分输出因此是每个单端输出的两倍
差分信号
因为它固有的抗外部噪声源的能力
通常会应用于音频
数据传输、电话系统
和高速数据采集的应用中
最近差分信号在高精度采集系统中
变得越来越流行
这是因为有更多的 SAR 和
δ-σ ADC采用了差分输入的架构
差分信号与单端信号相比
有以下几个优点
第一,由于差分信号
是两个彼此异相的单端信号
所以任何共模扰动
均等效的影响两个信号
并且将在差分输出处被理想的消除
这种对共模干扰的抑制
是全差分结构的主要优点之一
第二个优点,是偶次谐波失真
它与前面讨论的共模消除
具有相似的优点
因此差分信号的 THD 性能
往往比单端产品有所提高
第三,差分信号的另一个优点
是增加了动态范围
就如图中所示
当每个单端信号都具有 2Vpp 的摆幅时
差分输出的摆动是 4Vpp
从而使得信号的摆幅加倍
现在看到的图中显示了全差分放大器
或者称为 FDA 上的标准的引脚连接
我们有两个电源引脚
和两个输入引脚
就和标准的单端运算放大器一样
FDA 有两个差分的输出引脚
将产生互补的输出
VOCM 引脚用于控制放大器内部的次级环路
并设置 FDA 的直流输出共模电压
FDA 可以配置为
将单端输入信号转化为差分输出
如左下图所示
这种配置通常用作单端运算放大器
或者传感器与差分 ADC 之间的接口
FDA 是个对称的设备
这意味着这里显示的电源和地的连接
是可以颠倒
而不影响放大器的功能和性能的
FDA 也可以配置为差分输入
到差分输出的电路
如右下图所示
放大器的差分增益
由反馈电阻 RF 和增益电阻 RG 的比值决定
而共模增益
则由 VOCM 和反馈网络的组合来设定
只要反馈在相反极性的输入和输出引脚之间
FDA 就会配置一个负反馈回路
FDA 通常指的是集成放大器
但是全差分放大器
也可以使用分立式的
单端运算放大器来实现
我们在这里介绍了两种不同的实现方法
图中所示的第一种方法
是具有为前一个驱动阶段
提供高输入阻抗的好处
放大器1配置为缓冲器
同时驱动同相输出以及放大器2
放大器2配置为反相放大器
驱动反相输出
这个架构有一些缺点
由于放大器1驱动放大器2
因此 VOUT+ 和 VOUT- 之间
存在固有的路径差异
两路之间的相位差会导致平衡误差
这会削弱全差分结构的优点
即共模抑制的改善
和偶次谐波失真的改善
在差分信号发送中
各个单端输出之间的任何共模差异
都不会被拒绝
并且都被转化为差分输出
除了路径的差异之外
与集成的全差分放大器相比
两个分立放大器具有较差的匹配和对称特性
而其他的东西则会保持不变
我们需要记住
更好的匹配和对称
将总能实现更卓越的共模抑制和失真性能
两个放大器的输出噪声
由这里显示的公式给出
相比较本设计中所示的两个分立式放大器
所消耗的相同的静态功耗
集成式的全差分放大器
通常具有更好的噪声性能
而另个缺点就是缺乏共模电压控制
共模增益固定在 1V/V
在此处显示了使用分立式单端运算放大器
实现的全差分放大器的第二种方法
与之前的放大器不同
这个放大器配置
可用于将单端输入或者差分输入
转化为典型的 FDA 的差分输出
放大器有两个独立的反馈回路
差分增益回路和次级共模反馈回路
前向路径差分增益环路
由这里所示的两个输入放大器实现
而第三个放大器是共模反馈环路的部分
它允许系统保持所需要的共模输出电压
类似于集成的 FDA
它与集成的解决方案相比
两种分立式放大器的架构都具有明显的缺点
即较差的匹配
较高的每兆赫兹带宽
静态功耗和较高的噪声
现在我们已经看到
如何使用分立元件来实现
完全差分放大器
再让我们来研究下集成的设计
这里显示的是 THS4551 的内部框图
THS4551 是一款高精度的 FDA
通常用于驱动 SAR 和 δ-σ ADC
这个器件的核心是差分高开环增益
前向路径放大器
此外,这个设计的组成部分
是控制 FDA 输出共模电压的
次级误差放大器
误差放大器
通常是宽带宽、低噪声、单端运算放大器
通过检测前向放大器的差分输出的平均电压
并将其与 VOCM 引脚的电压进行相比
较来工作的
集成的 5.2kΩ 的电阻
检测前馈反放大器的平均输出电压
也就是它的共模电压
然后误差放大器将这个平均电压
与同相引脚上的直流电压进行比较
并调整其输出电压
误差放大器输出
随后驱动前馈放大器中的内部偏置节点
负反馈回路中的运算放大器的理想情况下
将两个输入相互跟踪
误差放大器的负反馈
因此作为调整前馈放大器的
内部偏置节点的伺服环路
直到其反相输入处的电压
等于 VOCM
当 VOCM 引脚悬空时
误差放大器同相输入端的电压
默认为中间电源
因为电源之间的内部
300kΩ 的电阻分压器
如果 VOCM 的引脚悬空
则应该在 VOCM 引脚
与地之间连接个电容
以减少 300kΩ 电阻的高频热噪声
如果应用需要与中间电源不同的输出共模
则用低输出阻抗的直流电源
在外部驱动 VOCM 引脚
ADC 的精密的 AC 或者 Vref 引脚
通常用于此目的
全差分放大器的操作
可以按照以下三条黄金法则来进行分析
第一条规则
FDA 的两个输入引脚相互追踪
这类似于单端运算放大器的虚拟接地的概念
请注意
直流和交流信号的分量是相等的
接下来的两个规则
与 FDA 的输出引脚有关
规则二
FDA 的两个单端输出
在频率和幅度上彼此相同
但是相位差 180 度
如图上所示
第三,也是最后一条规则
是两个单端输出共享相同的直流共模
或者换句话说
两个输出信号的瞬时平均值
总是等于 VOCM
例如如果 VOCM 设置为 2.5V
并且 VOUT+ 处的电压为 3.5V
则 VOUT- 的电压应该为 1.5V
以满足 FDA 的规则 2 和 3
以上就是对全差分放大器的介绍
非常感谢您的观看
请参加我们的测试
检验您对 FDA 基本操作原理的了解
谢谢观看
课程介绍
共计5课时,1小时9分16秒
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