全差分放大器消除直流失調(diào)的基本方式

理想條件下，當(dāng)運算放大器的差分輸入電壓為0時，運算放大器的差分輸出電壓也應(yīng)該為零。但是由于電路存在失配，此時運放的輸出不為0，則電路存在直流失調(diào)，定義為輸出電壓為0時的輸入電壓值。

現(xiàn)有消除直流失調(diào)基本有三種方式：交流耦合、開關(guān)電容、低通負反饋。

交流耦合是一種比較容易的實現(xiàn)方式，實現(xiàn)方式是前后兩級之間加耦合電容，第二級近輸入端加直流偏置電路，但是在信號頻率比較低時這種結(jié)構(gòu)需要極大的片上電容，難以片上實現(xiàn)。如圖1所示。

開關(guān)電容利用時鐘分時積分的方法消除直流失調(diào)，利用時鐘分時對開關(guān)電容采樣，通過長時間積分達到消除直流失調(diào)功能，但它引入一個時鐘在實際電路中需要增加一個電路把這個時鐘濾除，另外mos開關(guān)會存在時鐘饋通、電荷注入效應(yīng)，影響直流失調(diào)消除的精度。

低通負反饋是目前應(yīng)用非常廣泛的直流失調(diào)消除方式，其基本原理是在基帶反饋環(huán)路中加入一個低截止頻率的低通濾波器，低通濾波器用來對低頻率信號和直流信號進行濾波衰減從而實現(xiàn)直流失調(diào)。這種結(jié)構(gòu)需要在反饋環(huán)路上使用運算放大器來實現(xiàn)，運算放大器會不僅會帶來額外的功耗，而且對運放要求較高，容易使得環(huán)路振蕩。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種消除直流失調(diào)電壓全差分運算放大器電路，方便實現(xiàn)對直流電平的抑制，提高直流消除系統(tǒng)穩(wěn)定性。

想掌握差分放大電路，首先就要知道什么是差分放大電路以及它的作用。

差分放大電路是模擬集成運算放大器輸入級所采用的的電路形式，差分放大電路是由對稱的兩個基本放大電路，通過射極公共電阻耦合構(gòu)成的，對稱的意思就是說兩個三極管的特性都是一致的，電路參數(shù)一致，同時具有兩個輸入信號。

它的作用是能夠有效穩(wěn)定靜態(tài)工作點，同時具有抑制共模信號，放大差模信號等顯著特點，廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測量電路輸入端。

差模放大電路特點：

電路兩邊對稱兩個管子公用發(fā)射機電阻Re具有兩個信號輸入端信號既可以雙端輸出，也可以單端輸出

共模信號：大小幅度相等極性相同的輸入信號。

差模信號：大小幅度相等極性相反的輸入信號。

差分放大電路具有抑制零漂移穩(wěn)定靜態(tài)工作點，和抑制共模信號等作用，接下來一一分析。

首先我們的電路的工作環(huán)境溫度并不是一成不變的，也就是說是時刻變化著的，還有直流電源的波動，元器件老化，特性發(fā)生變化都會引起零漂和靜態(tài)工作點變化。通常在阻容耦合放大電路中，前一級的輸出的變化的漂移電壓都落在耦合電容上，不會傳入下一級放大電路。

但在直接耦合放大電路中，這種漂移電壓和有用的信號一起送到下一級被放大，導(dǎo)致電路不能正常工作，所以要采取措施，抑制溫度漂移，雖然耦合電容可以隔離上一級溫漂電壓，但是很多時候我們要接受處理的是很多微弱的、變化緩慢的弱信號，這類信號不足以驅(qū)動負載，必須經(jīng)過放大。又不能通過耦合電容傳遞，所以必須通過直接耦合放大電路，那么直接耦合典型電路：就是差分放大電路。

通?？朔仄姆椒ㄊ且胫绷髫摲答?，或者溫度補償。

接下來談?wù)勚苯玉詈想娐分?，差分放大電路如何抑制零漂電壓穩(wěn)定工作點，和抑制共模信號，并放大差分信號的。

全差分放大器 (FDA)是一種多用途的工具，它可以替代balun(或與它一同使用)的同時，并且提供多種優(yōu)點。與傳統(tǒng)的使用單端輸出的放大器相比，電路設(shè)計人員在使用由FDA實現(xiàn)的全差分信號處理頻譜分析儀時，能夠增加電路對外部噪聲的抗擾度，從而將動態(tài)范圍加倍，并且減少偶次諧波。

如果想要在運算放大器 (op amp)外部建立適當(dāng)增益，將總共需要使用8個電阻，這設(shè)計起來將會十分復(fù)雜?，F(xiàn)在，工程師只需要一半數(shù)量的電阻器和一個IC，就可以使用一個FDA來提供ADC的單端至差分接口和一個差分至差分接口。同時，這個IC無需balun便可以使得DC分量導(dǎo)通，這一點不同于提供DC隔離的balun。這個的關(guān)鍵點是在許多應(yīng)用中需DC和低頻的出色的頻率響應(yīng)。

基本上來說，F(xiàn)DA是具有兩個放大器的器件。主差分放大器(從VIN至VOUT)由多個反饋路徑和Vocm誤差放大器組成，而Vocm誤差放大器更多情況下被稱為共模輸出放大器。

Vocm放大器在內(nèi)部采樣差分電壓(VOUT+和VOUT–)，并且將這個電壓與施加到VOCM引腳上的電壓相比較。通過一個內(nèi)部反饋環(huán)路，Vocm放大器將Vocm誤差放大器的“誤差”電壓(輸入引腳間的電壓)驅(qū)動為0，這樣的話，VOUT_cm= Vocm。

如果VOCM引腳保持在懸空的狀態(tài)時，通常由一個內(nèi)部分壓器將偏置點的缺省值設(shè)定為VCC/2(電源間的中間位置)。(VOCM)引腳上的Vocm設(shè)置會影響到總體輸出擺幅(稍后討論)。這些特性不同于具有單端輸出的傳統(tǒng)運算放大器。在傳統(tǒng)運算放大器中，輸出共模電壓和單端輸出實際上是會影響到運算放大器的動態(tài)范圍的同一信號。

在使用全差分放大器(FDA)進行設(shè)計時，存在一個常見的誤解。設(shè)計人員經(jīng)常將單端雙極信號轉(zhuǎn)換為具有 DC 偏移的差分信號，以驅(qū)動具有單正電源的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其配置類似于圖 1 所示的配置。

圖 1：FDA 驅(qū)動 ADC

在此示例中，單端 +/-1V 信號被轉(zhuǎn)換為增益為 -2 的差分信號并上移 1.5V 以驅(qū)動單電源 ADC。

誤解是 FDA 必須有一個對稱的負電源，因為它的輸入相對于地是對稱的。然而，如果 FDA 可以接受低至其負供應(yīng)的輸入，則對稱負供應(yīng)是不必要的。您實際上可以將電路板接地用作 FDA 的負電源，如圖 2 所示。

圖 2：執(zhí)行單端到差分轉(zhuǎn)換的典型 FDA 電路

由于地面上的負 FDA 供應(yīng)，F(xiàn)DA 的負輸出 Vout_neg 永遠不會低于地面。由于 FDA 的正輸入 Vin_pos 只是由 Rg/(Rg+Rf) 衰減的 Vout_neg，因此 Vin_pos 永遠不會低于地面。FDA 的高開環(huán)增益會在兩個輸入之間產(chǎn)生虛擬短路，從而確保 FDA 的負輸入 Vin_neg 永遠不會低于地電位。

即使輸入信號是偽差分并以負電壓為參考，您仍然可以將地用作 FDA 的負電源。在圖 3 中，假設(shè) Vref = -0.1V，F(xiàn)DA 數(shù)據(jù)表中的最小 Vout 為 0.2V，Rf = 2Rg，增益為 -2：

圖 3：具有偽差分輸入的 FDA

FDA 正輸入 Vin_pos 的最小輸入公式如下：

FDA 輸入的虛擬短路確保 FDA 的輸入永遠不會低于地面。

如果您設(shè)置 FDA 增益和 Vocm 以使最小 Vout_neg 高于 FDA 數(shù)據(jù)表中指定的作為最小輸出的值，則可以接受更低的 Vref 值。

最重要的是，在將單端或偽差分信號轉(zhuǎn)換為具有正偏移的差分信號時，具有負軌輸入 (NRI) 的 FDA 可以節(jié)省負 FDA 電源的費用和電路板空間。請務(wù)必尋找 3V 和 5V 之間的單一 FDA 電源，并考慮使用高帶寬、低功耗 FDA，例如THS4521。