帶可調(diào)輸出共模的多功能、精密單端轉(zhuǎn)差分電路：提升系統(tǒng)動態(tài)范圍的新途徑

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，差分信號因其卓越的抗噪聲能力、高信噪比和低二次諧波失真特性，在高性能ADC驅(qū)動、高保真音頻信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的單端信號輸入方式往往難以滿足這些高精度需求。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了帶可調(diào)輸出共模的多功能、精密單端轉(zhuǎn)差分電路，該電路不僅實現(xiàn)了單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換，還通過調(diào)節(jié)輸出共模電壓，顯著提升了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。本文將深入探討這種電路的工作原理、優(yōu)勢及其在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

引言

差分信號通過兩條互補的信號線傳輸信號，具有天然的抗共模噪聲能力。在電子系統(tǒng)中，特別是在需要高精度和高穩(wěn)定性的場合，差分信號的應(yīng)用顯得尤為重要。然而，許多傳感器和其他信號源產(chǎn)生的信號是單端的，這就需要一種有效的轉(zhuǎn)換機制將這些單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號。同時，為了與各種ADC接口兼容，并優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)范圍，輸出共模電壓的可調(diào)性也成為了一個關(guān)鍵需求。

帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路工作原理

電路組成

帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路通常由兩個主要部分組成：一個精密的單端至差分轉(zhuǎn)換器和一個可調(diào)節(jié)輸出共模電壓的電路。其中，單端至差分轉(zhuǎn)換器負責(zé)將單端輸入信號轉(zhuǎn)換為差分輸出信號，而輸出共模調(diào)節(jié)電路則通過調(diào)整電路參數(shù)來改變差分輸出的共模電壓。

轉(zhuǎn)換器設(shè)計

在轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，常采用高性能的運算放大器(如OP1177)和差分放大器(如ADA4940)來實現(xiàn)單端至差分的轉(zhuǎn)換。通過級聯(lián)這些放大器，并在反饋環(huán)路中引入適當(dāng)?shù)脑鲆妫梢燥@著提高轉(zhuǎn)換器的性能。例如，在《模擬對話》上介紹的一種改進型單端至差分轉(zhuǎn)換器中，OP1177與差分增益為1的AD8476級聯(lián)，實現(xiàn)了高輸入阻抗、低輸入偏置電流和低失調(diào)電壓等優(yōu)異性能。

輸出共模調(diào)節(jié)

為了調(diào)節(jié)輸出共模電壓，電路設(shè)計者可以在差分放大器的輸入端或輸出端引入額外的電阻和電壓源。通過調(diào)整這些元件的值，可以靈活地設(shè)置差分輸出的共模電壓，以適應(yīng)不同的ADC接口需求。此外，一些先進的電路還允許通過軟件或外部控制信號來動態(tài)調(diào)整輸出共模電壓，從而進一步提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

電路優(yōu)勢

提升系統(tǒng)動態(tài)范圍

通過調(diào)節(jié)輸出共模電壓，帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路能夠顯著提升系統(tǒng)的動態(tài)范圍。當(dāng)差分放大器的增益大于1時，電路的輸出動態(tài)范圍會相應(yīng)增加。例如，在圖2所示的電路中，當(dāng)ADA4940的增益設(shè)置為2時，電路的差分輸出電壓擺幅可達±8V(在±5V電源下)，從而顯著提高了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

提高信噪比和抗噪聲能力

差分信號天然的抗共模噪聲能力使得該電路在噪聲敏感的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。通過優(yōu)化差分放大器的增益和輸出共模電壓的設(shè)置，可以進一步降低噪聲干擾，提高信號的信噪比。這對于需要高精度測量的應(yīng)用來說尤為重要。

靈活性和兼容性

帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路還具有良好的靈活性和兼容性。通過調(diào)整輸出共模電壓和差分增益等參數(shù)，該電路可以輕松地與各種ADC接口兼容，滿足不同應(yīng)用的需求。此外，該電路還支持多種輸入信號類型(如單端、差分等)，進一步提高了其通用性和實用性。

應(yīng)用實例

高性能ADC驅(qū)動

在高性能ADC驅(qū)動應(yīng)用中，帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路能夠顯著提高ADC的采樣精度和穩(wěn)定性。通過優(yōu)化差分放大器的增益和輸出共模電壓的設(shè)置，可以確保ADC的輸入信號滿足其最佳工作條件，從而提高整個系統(tǒng)的性能。

高保真音頻信號處理

在高保真音頻信號處理中，差分信號的應(yīng)用同樣重要。帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路能夠?qū)⒁纛l信號轉(zhuǎn)換為差分信號，并通過調(diào)節(jié)輸出共模電壓來優(yōu)化音頻信號的傳輸質(zhì)量。這有助于減少音頻信號在傳輸過程中的失真和噪聲干擾，提高音頻信號的保真度和清晰度。

結(jié)論

帶可調(diào)輸出共模的多功能、精密單端轉(zhuǎn)差分電路是一種高效、靈活的信號轉(zhuǎn)換方案。通過優(yōu)化差分放大器的增益和輸出共模電壓的設(shè)置，該電路能夠顯著提升系統(tǒng)的動態(tài)范圍、信噪比和抗噪聲能力。同時，其良好的靈活性和兼容性也使得該電路在高性能ADC驅(qū)動、高保真音頻信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的不斷拓展，我們有理由相信這種電路將在未來發(fā)揮更加重要的作用。