全差分放大器為精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈提供高壓低噪聲信號(hào)

作者：Darwin P. Tolentino，產(chǎn)品/測(cè)試開(kāi)發(fā)經(jīng)理

摘要

全差分放大器(FDA)具有差分輸入和差分輸出，其輸出共模由直流(DC)輸入電壓獨(dú)立控制，主要用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換的前端，用于將信號(hào)調(diào)理為合適的電平以供下一級(jí)（通常是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)）使用。FDA一般采用單芯片設(shè)計(jì)，電源電壓較小，因此輸出動(dòng)態(tài)范圍有限。本文將介紹具有可調(diào)共模輸出的高壓低噪聲FDA的設(shè)計(jì)方法。本文還完整分析了FDA噪聲，以及其對(duì)高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)鏈的總體信噪比(SNR)的影響。

引言

高壓FDA適用于需要寬輸出動(dòng)態(tài)范圍和與高性能FDA類似的交流(AC)性能的應(yīng)用。例如，測(cè)試和評(píng)估具有寬輸入范圍的精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈可能需要高壓FDA。由于電源電壓較小，目前大多數(shù)FDA的輸出電壓范圍一般都很有限。FDA適合用于驅(qū)動(dòng)高性能ADC的輸入，后者通常需要單電源。FDA具有出色交流性能，其SNR和總諧波失真(THD)十分優(yōu)異。不過(guò)，在失調(diào)、軌間擺幅、偏置電流和漂移性能方面，F(xiàn)DA不如許多更高電壓的精密運(yùn)算放大器。但這完全不是問(wèn)題，因?yàn)槠錆M足ADC驅(qū)動(dòng)要求，而且ADI公司提供了一系列用于各種應(yīng)用的ADC驅(qū)動(dòng)器。

FDA支持單端或差分輸入，具有增益，并提供差分輸出，其共模通?？赏ㄟ^(guò)輸出共模輸入引腳(VOCM)進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)圖1）。FDA的優(yōu)勢(shì)在于擁有更大的輸出動(dòng)態(tài)范圍，最大輸出是輸出軌的兩倍，并且其噪聲和偶次諧波失真更低。例如，±5 V FDA的最大輸出峰峰值接近±10 V或20 V p-p。

±18 V電路的輸出大于60 V p-p。ADA4625-1/ADA4625-2是低噪聲JFET放大器，噪聲和失真性能非常好，并且電源范圍寬達(dá)±18 V。需滿足應(yīng)用的所有直流和交流性能要求時(shí)，使用分立運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)FDA可能會(huì)很棘手。

圖1.FDA

要?jiǎng)?chuàng)建差分放大器，比較簡(jiǎn)單的方法是使用同相和反相放大器在輸出端產(chǎn)生差模信號(hào)（圖2），但這種方法的缺點(diǎn)是兩個(gè)放大器U1和U2不能以非常對(duì)稱的方式運(yùn)行，因而性能沒(méi)有得到優(yōu)化。

圖2.單端轉(zhuǎn)差分電路

更好的方法是將兩個(gè)運(yùn)算放大器配置成差分方式，類似于基本差分放大器，其中U1和U2共享反饋和增益電阻，增益Av = (RG + 2RF)/RG（見(jiàn)圖3）。

圖3.差分放大器電路

此配置通過(guò)簡(jiǎn)化的增益網(wǎng)絡(luò)提供平衡輸出，并可通過(guò)增益設(shè)置電阻RG輕松調(diào)整增益大小。然而，當(dāng)輸入為單端時(shí)，差分輸出在幅度上將是不對(duì)稱的（見(jiàn)圖4）。不對(duì)稱輸出會(huì)使輸出范圍嚴(yán)重受限，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)輸出會(huì)先于另一個(gè)輸出達(dá)到供電軌。通過(guò)調(diào)整電阻增益網(wǎng)絡(luò)使輸出對(duì)稱，可以解決此問(wèn)題（圖5）。請(qǐng)注意，增益電阻被分成兩部分，即RG1和RG2，并且U2從RG1和RG2的中心獲得反饋，從而使輸出對(duì)稱。增益由下式給出：Av = (RG1 + RG2 + RF1 + RF2)/RG1。

圖4.不對(duì)稱輸出

圖5.對(duì)稱輸出

添加可調(diào)輸出共模

添加可調(diào)共模的方法有兩種：一種方法是使用兩個(gè)ADA4625器件為每個(gè)輸入添加一個(gè)VOCM放大器（圖6和圖7）；另一種方法是僅使用一個(gè)ADA4625-1作為VOCM放大器（圖8和圖9）。這些方法各有利弊，下文將展開(kāi)詳細(xì)討論。

通過(guò)添加放大器U3和U4，所施加的任何直流輸入電壓(V6)都會(huì)加到正負(fù)輸入上。由于每個(gè)輸入都增加了相同電壓，因此它們?cè)谳敵龆吮憩F(xiàn)為直流共模。然而，除了U1和U2差分級(jí)會(huì)進(jìn)一步放大額外噪聲之外，U3和U4還會(huì)在電路中產(chǎn)生額外的功耗。不過(guò)，它非常簡(jiǎn)單，并且不會(huì)影響整體信號(hào)增益。對(duì)于圖6中的電路，信號(hào)增益為Av = (RG1 + RG2 + RF1 + RF2)/RG1；對(duì)于圖7中的電路，信號(hào)增益為Av = (RG + RF1 + RF2)/RG。

圖6.采用雙放大器的單端轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍(lán)色和綠色）的LTspice?仿真。

圖7.采用雙通道放大器的差分轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍(lán)色和綠色）的LTspice仿真。

添加可調(diào)VOCM的另一種方法是添加一個(gè)放大器，將其輸出加到每個(gè)輸入上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)包括：使用的器件（僅一個(gè)放大器）和電阻更少，以及所添加器件產(chǎn)生的噪聲貢獻(xiàn)更低。實(shí)際上，U3不會(huì)產(chǎn)生任何額外噪聲，因?yàn)槌藖?lái)自電阻分壓器R4至R7的噪聲外，其折合到輸出的噪聲表現(xiàn)為U1和U2輸入的共模。

電阻R3至R7構(gòu)成電阻加法器網(wǎng)絡(luò)，將VOCM加到輸入信號(hào)上。R3至R5將共模加到正輸入信號(hào)上，而R6至R8（單端輸入則為R6和R7）將共模加到負(fù)輸入上。請(qǐng)注意，該電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)衰減輸入信號(hào)。這會(huì)降低電路的整體信號(hào)增益。對(duì)于圖8中的電路，總信號(hào)增益為Av = [(RG1 + RG2 + RF1 + RF2)/RG1][(R4//R5)/(R4//R5 + R3)]；對(duì)于圖9中的電路，總信號(hào)增益為Av = [(RG + RF1 + RF2)/RG][(R4//R5)/(R4//R5 + R3)]。噪聲分析部分闡明了主要噪聲源，并且根據(jù)所需的總增益和設(shè)計(jì)人員需重點(diǎn)考慮的其他因素，討論了第二種添加VOCM的方法是否比第一種方法更有益。

圖8.采用單放大器的單端轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍(lán)色和綠色）的LTspice仿真。

圖9.采用單放大器的差分轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍(lán)色和綠色）的LTspice仿真。

噪聲分析

在為高性能精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈提供激勵(lì)時(shí)，噪聲是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素，最終將決定系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)范圍和SNR方面的限制。16位ADC的理論SNR為98 dB（6.02 N + 1.76 dB，N = 位數(shù)），這意味著4.096 Vp輸出（或8.192 V p-p）的等效噪聲約為36 μV rms。這種噪聲稱為量化噪聲，是由ADC的量化誤差引起的。-98 dB SNR是16位系統(tǒng)的理想極限，任何性能下降都將是由ADC的輸入或周圍電路的額外噪聲引起的。以下是單通道和雙通道放大器VOCM全差分電路中各元器件的噪聲貢獻(xiàn)分析。圖10為具有雙放大器VOCM的FDA電路噪聲模型。

差分級(jí) — U1和U2噪聲貢獻(xiàn)

ADA4625-1/ADA4625-2的電流噪聲密度非常低，在1 kHz時(shí)為4.5 fA/√Hz，而折合到輸入(RTI)的電壓噪聲在1 kHz時(shí)約為3 nV/√Hz，本分析將其視為寬帶噪聲。U1和U2的電流和電壓噪聲在差分輸出端的總噪聲貢獻(xiàn)（均方根值）可以表示為：

其中，eNv,U1U2是U1和U2的RTI電壓噪聲引起的輸出電壓噪聲，而eNI,U1U2是輸入電流噪聲引起的輸出電壓噪聲。對(duì)輸入端各分量噪聲的平方和求平方根(RSS)可以得到RTI電壓噪聲，然后由增益和反饋網(wǎng)絡(luò)RF和RG進(jìn)行放大。類似地，電流噪聲經(jīng)過(guò)RSS處理后，由RG轉(zhuǎn)換為電壓噪聲，再經(jīng)放大傳輸至輸出。輸入電流噪聲非常小，其貢獻(xiàn)微不足道，因此電阻和放大器的電壓噪聲是輸出端的主要噪聲源。

圖10.雙放大器VOCM噪聲模型

由U1和U2的增益和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)（RF1、RF2和RG）引起的輸出噪聲為：

其中，室溫下1 kΩ電阻的熱噪聲為4.06 nV?√Hz。

在輸出端合并U1和U2的電壓噪聲及其反饋電阻網(wǎng)絡(luò)噪聲，忽略電流噪聲，使用公式1和3可得到：

從之前的討論可以得知，隨著增益的提高，放大器的電壓噪聲很容易成為主導(dǎo)噪聲。使用較小的RG值（例如500 Ω）可以大大降低電阻的噪聲。

VOCM電路 — U3和U4噪聲

接下來(lái)分析圖10中VOCM電路的噪聲。VOCM電路（U3和U4）的總噪聲（包括電阻噪聲，并忽略每個(gè)放大器的輸入電流噪聲）計(jì)算方式如下：

總VOCM輸出噪聲 =

其中，R1//R2為R1和R2的并聯(lián)等效電阻。從之前的討論還可以明顯看出，U3和U4的總噪聲主要由放大器電壓噪聲和電阻噪聲組成，因此最好保持較低電阻值，以有效減少其對(duì)整體噪聲的貢獻(xiàn)，使放大器噪聲成為唯一的主要噪聲源。VOCM電路輸出端的噪聲會(huì)出現(xiàn)在差分級(jí)的輸入端，隨后由差分級(jí)放大并傳輸至輸出端。

VOCM電路 — 單放大器U3噪聲

如前所述，U3輸出端的噪聲作為U1和U2輸入端的共模出現(xiàn)（顯示為inp和inn，見(jiàn)圖 11），因此不會(huì)給差分級(jí)帶來(lái)噪聲。額外的噪聲來(lái)自電阻R3至R8。仔細(xì)檢查可發(fā)現(xiàn)，差分級(jí)的每個(gè)輸入端都有三個(gè)并聯(lián)電阻——正輸入端為R3至R5，負(fù)輸入端為R6至R8（圖11c），這也使得電阻的噪聲貢獻(xiàn)非常小。

在雙放大器和單放大器VOCM電路這兩種電路中，后者的噪聲貢獻(xiàn)要低得多，但其整體信號(hào)增益較低。此外，它的功耗更低，所需的放大器也更少。公式7表示圖11中VOCM電路輸出端的噪聲；公式8表示差分級(jí)輸出端變化對(duì)U1和U2的對(duì)應(yīng)噪聲貢獻(xiàn)。

綜合考慮 — ADC信號(hào)鏈的總SNR

ADC信號(hào)的總SNR由模擬前端(AFE)和ADC的總噪聲貢獻(xiàn)決定，其中可能包括來(lái)自其他噪聲源的噪聲。ADC信號(hào)鏈的總SNR由下式得出：

圖11.單放大器VOCM噪聲模型

其中，VREF被認(rèn)為是雙極性輸出ADC的正滿量程。

總體而言，信號(hào)鏈的總SNR可以用圖12來(lái)總結(jié)。

圖12.數(shù)據(jù)采集前端信號(hào)鏈

ADC的噪聲與AFE輸入端的噪聲相結(jié)合，會(huì)使ADC的實(shí)際總SNR低于理論或理想值。為將AFE的噪聲與ADC的噪聲結(jié)合起來(lái)，需要將ADC的SNR轉(zhuǎn)換為其均方根積分噪聲等效值，如下所示：

例如，ADAQ7767-1的典型SNR為-106 dB，等效有效值噪聲為14.5 μV。

ADAQ7767-1是一款24位數(shù)據(jù)采集解決方案，帶有集成ADC驅(qū)動(dòng)器和抗混疊濾波器，增益為1、0.364、0.143 V/V，250 kSPS時(shí)噪聲帶寬(BW)為110 kHz，其陡峭截止頻率主要由其數(shù)字磚墻濾波器決定。ADA4625-1/ADA4625-2的典型寬帶電壓噪聲為3.3 nV?√Hz，因此圖13中差分級(jí)（U1和U2）的輸出噪聲貢獻(xiàn)（噪聲增益為6）為：

eN,V_U1U2 = [√2(3.3 nV)2] (500 Ω + 1.5 kΩ + 1 kΩ)/500 Ω = 28 nV?√Hz；U1和U2 RTI噪聲引起，使用公式1。

eN,RES_U1U2 = √[2.87 nV(6)]2 + (4 nV)2 + (4.97 nV)2 = 18.4 nV?√Hz，電阻增益網(wǎng)絡(luò)引起，使用公式3。

eN,U1U2 = √(28 nV)2 + (18.4 nV)2 = 33.5 nV?√Hz，差分級(jí)的總輸出噪聲貢獻(xiàn)。

根據(jù)公式 8，其中差分級(jí)輸入端三個(gè)電阻（1 kΩ）的并聯(lián)等效值為333.3 Ω，噪聲為2.3 nV?√Hz：

eNO,VOCM_U3 = 6√2(2.3 nV)2 = 19.5 nV?√Hz，電阻R3至R8引起的輸出噪聲貢獻(xiàn)。

因此，ADAQ7767-1輸入端的總輸出噪聲計(jì)算如下：

ADAQ7767-1的輸入增益級(jí)配置設(shè)置為0.143 V/V，輸入范圍為±28 V (56 V p-p)。鑒于-106 dB的典型SNR相當(dāng)于14.5 μv有效值噪聲，將輸入電路噪聲與器件噪聲相結(jié)合可得出如下結(jié)果：

輸入電路對(duì)系統(tǒng)總噪聲的貢獻(xiàn)非常小，部分原因在于ADAQ7767-1的輸入增益較小。請(qǐng)注意，110 kHz來(lái)自磚墻式數(shù)字濾波器，因此乘以帶寬時(shí)無(wú)需帶上濾波器帶寬調(diào)整因子。根據(jù)-106 dB的典型SNR，信號(hào)鏈的最終SNR將為：

使用LTspice對(duì)圖13中的輸入電路進(jìn)行噪聲仿真（圖14），表明110 kHz帶寬的總有效值噪聲為12.3 μV rms。將其乘以0.143 V/V的增益，得到ADAQ7767-1輸入端噪聲為1.8 μV有效值噪聲，這與計(jì)算出的總輸入噪聲值相同。

圖13.具有高壓輸入的ADAQ7767-1精密信號(hào)鏈

圖14.圖13所示ADAQ7767-1輸入電路中的LTspice噪聲

表1為使用ADAQ7767-1的其他增益時(shí)所得的信號(hào)鏈總SNR。

表1.ADAQ7767-1不同增益下的信號(hào)鏈總SNR

圖13中僅使用了單放大器VOCM電路。該電路可用于向前端信號(hào)鏈系統(tǒng)提供大輸入電壓，而不會(huì)對(duì)噪聲性能產(chǎn)生顯著影響。雙通道放大器VOCM電路可以在相同的總信號(hào)增益下提供類似的噪聲性能。噪聲分析部分“VOCM電路 — U3和U4噪聲”中給出的噪聲方程可用于計(jì)算雙通道放大器VOCM電路輸出端的總噪聲，并且可以應(yīng)用同樣的方法和概念來(lái)計(jì)算信號(hào)鏈的總SNR。

結(jié)論

在本文介紹的電路中使用ADA4625-1/ADA4625-2創(chuàng)建復(fù)合FDA，可實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)共模的低噪聲、高電壓輸出解決方案，進(jìn)而可以驅(qū)動(dòng)具有寬輸入范圍的高性能數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。通過(guò)適當(dāng)配置差分級(jí)的反饋網(wǎng)絡(luò)，該方案既能支持單端輸入，也能支持差分輸入。單放大器VOCM電路功耗更低，使用的放大器更少，故而優(yōu)于雙放大器VOCM電路。我們的示例表明，在增益較低時(shí)，F(xiàn)DA電路不會(huì)對(duì)ADAQ7767-1信號(hào)鏈的總SNR產(chǎn)生顯著影響。對(duì)于增益1 V/V、0.364 V/V和0.143 V/V，其輸入范圍分別為±4.096 V、±11.264 V和±28 V；增益最低時(shí)輸入范圍最寬，并且從該解決方案中受益最大。