Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2016
Darwin Tolentino и Sandro Herrera, Analog Devices
Analog Dialogue
Дифференциальная передача сигналов широко используются в устройствах, где требуется большое отношение сигнал-шум, высокая помехоустойчивость и низкое содержание второй гармоники – таких, например, как драйверы высокопроизводительных ЦАП и высококачественные схемы обработки аудио сигналов. В затрагивавшей эту тему предыдущей статье [1] предлагалась значительно улучшенная схема преобразования несимметричного сигнала в дифференциальный с очень высоким входным импедансом, максимальным входным током смещения 2 нА, максимальным напряжением смещения 60 мкВ и максимальным температурным дрейфом смещения 0.7 мкВ/°С (Рисунок 1). Более высокие характеристики были получены за счет включения OP1177 в петлю обратной связи AD8476, имеющего дифференциальное усиление, равное единице.
 |
||
| Рисунок 1. | Улучшенный преобразователь несимметричного сигнала в дифференциальный. |
|
Однако во многих приложениях, таких как схемы обработки выходных сигналов датчиков – например, температуры или давления – желательно иметь более широкий динамический диапазон выходного сигнала. Дополнительная возможность подстройки синфазного режима делает схему очень удобной при ее подключении к многими АЦП, в которых полную шкалу измерений определяет опорное напряжение.
 |
||
| Рисунок 2. | Преобразователь несимметричного сигнала в дифференциальный с расширенным динамическим диапазоном. |
|
Поместив дифференциальный усилитель внутрь петли обратной связи с усилением, превышающим единицу, можно расширить выходной динамический диапазон схемы (Рисунок 2). Выходное напряжение определяется следующим выражением:
При отсутствии RG общее усиление схемы равно двум. Выходное напряжение усилителя OP1177 (A1) равно:
В формулах использовались следующие обозначения:
VOUT, DIFF – выходное дифференциальное напряжение схемы;
VOUT, OP1177 – выходное дифференциальное напряжение усилителя OP1177;
GDIFF, A2 – дифференциальный коэффициент усиления усилителя A2.
Обратите внимание, что к выходному напряжению OP1177 всегда добавляется VREF, ограничивающее динамический диапазон усилителя. Для обеспечения максимального выходного динамического диапазона в большинстве приложений VREF (синфазная компонента выходного сигнала) устанавливается на уровне середины напряжения источника питания. Если усиление дифференциального усилителя внутри петли обратной сделать бóльшим единицы, как в случае усилителя ADA4940 на Рисунке 2 (усиление равно 2), выходное напряжение усилителя A1 уменьшится на величину дифференциального коэффициента усиления A2 и позволит избежать насыщения выходного каскада усилителя A1. Поскольку типовой размах выходного напряжения микросхемы OP1177 при питании ±5 В составляет 4.1 В, диапазон дифференциального выходного напряжения схемы при напряжении VREF, установленном равным нулю, будет иметь величину порядка ±8 В. Если коэффициент усиления усилителя A2 сделать равным трем, это дополнительно улучшит выходной динамический диапазон и позволяет достичь максимального размаха выходного напряжения схемы. В качестве усилителя A2 здесь можно использовать и другие микросхемы, например, ADA4950, коэффициент усиления которой можно сделать равным 1, 2, и 3.
Регулировка выходного синфазного напряжения
Схему можно изменить таким образом, чтобы синфазная составляющая выходного напряжения стала регулируемой и независимой от синфазной компоненты входного сигнала. Это добавляет схеме большую гибкость и удобство использования в приложениях с однополярным питанием, где вход привязан к земле и должен быть преобразован в дифференциальный сигнал с синфазной составляющей, смещенной для согласования с АЦП.
Для этого к входу можно добавить два резистора R1 и R2, подключив R2 к напряжению смещения VOCM. При желании можно взять сдвоенную версию входного усилителя A1 – OP2177, и использовать ее второй усилитель в качестве входного буфера с очень низким входным током смещения.
 |
||
| Рисунок 3а. | Усовершенствованная схема преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный с регулируемым синфазным напряжением. |
|
В схеме на Рисунке 1 входной сигнал смещен на величину VREF. Что касается схемы на Рисунке 3а, там входной сигнал привязан к земле и непосредственно преобразуется в дифференциальный выходной. Напряжение VOCM теперь может быть скорректировано таким образом, чтобы синфазно сдвинуть выходной сигнал, в то время как входной сигнал останется привязанным к земле. Напряжение VOCM можно привязать либо к половине опорного напряжения, либо к середине шкалы преобразователя. Обычно VOCM, наряду с входным напряжением VIN, выступает в качестве второго входа. Сопротивления резисторов должны быть выбраны таким образом, чтобы
При наложении, когда VIN = 0, выходное напряжение будет смещено на тот же уровень, что и VOCM. А поскольку величина VOCM задает выходное синфазное напряжение, дифференциальное напряжение остается равным нулю. Если R1 = RG и R2 = RF, то выходные напряжения рассчитываются по следующим формулам:
Полоса пропускания и устойчивость
Два усилителя образуют составной усилитель с дифференциальным выходом и общим контуром следящей обратной связи. Общее усиление, складывающееся из коэффициента усиления микросхемы OP1177/OP2177 с разомкнутой петлей обратной связи и дифференциального усиления ADA4940, определяет полосу пропускания схемы. Комбинация полюсов их передаточных функций создает дополнительный фазовый сдвиг в петле обратной связи. При большем усилении A2 полоса пропускания уменьшается и может повлиять на устойчивость всей схемы. Разработчик должен контролировать общую амплитудно-частотную характеристику схемы и оценивать необходимость частотной коррекции. Согласно эмпирическому правилу, для устойчивости системы с обратной связью необходимо, чтобы при разомкнутой петле обратной связи спад АЧХ в области единичного усиления происходил со скоростью –20 дБ/декада. Это особенно важно в приложениях с минимальным усилением (при усилении, равном двум), поскольку в этом случае коэффициент петлевого усиления максимален и имеет наихудший запас по фазе. Более высокий общий коэффициент усиления улучшает устойчивость за счет сужения полосы пропускания и увеличения запаса по фазе в петле обратной связи. Поскольку усиление петли обратной связи уменьшается, уровень единичного усиления АЧХ пересекает на более низкой частоте. Усиление петли обратной связи определяется по формуле:
где
GL – коэффициент усиления петли обратной связи;
A1 – коэффициент усиления первого усилителя;
AD2 – дифференциальный коэффициент усиления второго усилителя.
 |
||
| Рисунок 3б. | Осциллограммы входных и выходных напряжений: VOP – пурпурный, VON – желтый, а входной сигнал – голубой. Синфазное напряжение установлено равным 0 В. |
|
 |
||
| Рисунок 3в. | Осциллограммы входных и выходных напряжений: VOP – пурпурный, VON – желтый, а входной сигнал – голубой. Синфазное напряжение установлено равным 2.5 В. |
|
В выражении для коэффициента обратной связи β содержится ½, поскольку выход дифференциальный, и обратная связь берется только с одного из дифференциальных выходов. ADA4940 при коэффициенте усиления равном 2 имеет полосу пропускания 50 МГц, тогда как частота единичного усиления OP1177 равна примерно 4 МГц. Схема на Рисунке 3 стабильна и имеет полосу пропускания порядка 1 МГц, ограниченную усилителем OP1177 и усилением замкнутой петли обратной связи. Как отмечалось в предыдущей статье [1], в случае, когда использование различных дифференциальных усилителей не позволяет обеспечить условия устойчивости, можно ограничить полосу пропускания конденсатором CF, включив его так, как это показано на Рисунке 3а. Совместно с резистором RF конденсатор образует интегрирующую цепочку внутри петли обратной связи, ограничивающую полосу пропускания всей схемы на уровне:
Конденсатор и резистор обратной связи могут быть выбраны так, чтобы общая полоса пропускания ограничивалась приведенным выше выражением.
Ссылки
- Herrera, Sandro and Moshe Gerstenhaber. "Versatile, Low Power, Precision Single-Ended-to-Differential Converter." Analog Dialogue, Volume 46, Number 4.
Купить ADA4940 на РадиоЛоцман.Цены
