Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2017
Вопрос:
Как с небольшими затратами денег и потребляемой мощности реализовать на усилителе переход от дифференциального входа к несимметричному выходу?
Ответ:
Во многих приложениях требуются высококачественные дифференциальные усилители для преобразования слабых дифференциальных сигналов в несимметричный сигнал с опорным уровнем земли. Как правило, напряжения на двух входах имеют большую общую синфазную составляющую. Дифференциальный усилитель удаляет синфазное напряжение, а оставшееся напряжение усиливается и выводится на выход усилителя как несимметричный сигнал. Удаленное напряжение может быть как переменным, так и постоянным, и, как правило, это синфазное напряжение больше, чем дифференциальный входной сигнал. Эффективность подавления снижается по мере увеличения частоты синфазного напряжения. Усилители внутри одного корпуса лучше согласованы, имеют одинаковые паразитные емкости и не требуют внешних соединений. Поэтому частотные характеристики сдвоенного высококачественного широкополосного усилителя лучше, чем характеристики отдельных усилителей.
 |
||
| Рисунок 1. | Усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. |
|
Простое решение, основанное на использовании сдвоенных прецизионных усилителей с резистивной обратной связью, показано на Рисунке 1. Схема демонстрирует несложный способ преобразования дифференциального входа в несимметричный выход с возможностью регулировки усиления. Коэффициент усиления G этой системы находится из выражения (1):
 |
(1) |
где
G = RF/1 кОм,
(VIN1 – VIN2) – дифференциальное входное напряжение.
Как правило, такой метод обеспечивает более стабильные результаты измерений в присутствии электромагнитных и радиочастотных помех. Это особенно актуально при измерении сигналов термопар, тензодатчиков и мостовых датчиков давления, поскольку они вырабатывают очень слабые сигналы в зашумленной среде.
По сравнению с несимметричными входами эта схема может улучшить характеристики системы, не только измеряя разность напряжений между положительным и отрицательным выводами датчика, но также обеспечивая подавление синфазного сигнала при некотором усилении полезного сигнала. Более того, датчик и аналоговая схема обработки его сигналов могут иметь разные земли. Во многих приложениях важно иметь выходное напряжение, привязанное к земле. Точность системы зависит от допусков используемых в схеме резисторов.
Схема может преобразовывать дифференциальный выход в несимметричный выход и позволяет регулировать усиление. Усиление схемы определяется соотношением сопротивлений резисторов RF и RG1, в предположении, что RG2 = RG1, и коэффициент усиления усилителя B равен –1.
Например, хорошо подойдет для этого приложения сдвоенный усилитель ADA4807-2 с полосой пропускания 180 МГц, на котором можно сделать схему инвертирующего усилителя с низким уровнем шумов. Благодаря низкому току потребления с типовым значением 1000 мкА, схема идеально подходит для преобразования данных в малопотребляющих системах высокого разрешения.
Входное синфазное напряжения может выходить за пределы напряжений шин питания. Rail-to-rail выход делает эту схему удобной для приложений обработки сигналов в присутствии больших синфазных составляющих или больших выходных напряжений. Примером может служить, например, плата сбора данных, в которой используется АЦП, рассчитанный на несимметричный входной сигнал от 0 В до 5 В. Однако источником сигнала оказывается дифференциальное напряжение, формируемое измерительным мостом, где сигнал в присутствии синфазных шумов изменяется на одном выводе в положительную сторону, а на другом – в отрицательную.
Осциллограммы на Рисунке 2 были получены для дифференциального входного сигнала и различных коэффициентов усиления схемы, которые задаются резистором RF. Как можно видеть, коэффициент усиления системы равен 1, 2 и 4 при дифференциальном входном напряжении частотой 1 кГц с размахом 1 В пик-пик.
 |
||
| Рисунок 2. | Характеристики простого преобразователя дифференциального сигнала в несимметричный сигнал. |
|
Схема полезна для измерения небольшой разности двух больших напряжений. Например, представим себе простое решение, предназначенное для того, чтобы с точностью 1% измерять выходное напряжения схемы с мостом Уитстона, возбуждаемым напряжением 3 В относительно земли, в системе, питающейся от батареи 3 В. Использование однопроцентных или более точных резисторов обеспечит требуемый уровень точности, а схема подавит любой синфазный сигнал и усилит ослабленный сигнал моста в соответствии с установленным коэффициентом усиления. При подключении к АЦП потребуется некоторая схема смещения уровня, чтобы получить выходной сигнал, изменяющийся в диапазоне от 0 В до 5 В.
Схема предоставляет отличную комбинацию малых искажений и низкого тока потребления. Решение на сдвоенном операционном усилителе получается недорогим, а использование дифференциального усилителя обеспечивает улучшенные характеристики.
