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15.2 全差分放大器 — FDA的输入输出和共模

大家好 欢迎来到全差分放大器系列的第二部分 在这个视频中 我们将分析 FDA 增益传递函数 以及其输入和输出的摆动规格 由于 FDA 可以接收 单端和差分的输入信号 因此我们将分别检查两种情况 首先让我们来分析一下 配置为差分输入和差分输出放大器的 FDA 的输入共模和输出摆幅 我将用一个数值的例子来简化分析 假定每个差分输入 在 0V 直流共模上摆动 200mVpp 并且两个输入如预期的那样相差180度 当我指定输入信号的共模时 我指的是 RG 输入端的电压 数据表中 放大器的共模输入规格 是放大器输入引脚的电压 如图中所示 另外假定放大器的输出共模为 2.5V 增益电阻 RG 为 100Ω 反馈电阻 RF 是 400Ω 我们将分别分析共模和差分元件 然后使用叠加原理 确定放大器的完整增益传递函数 首先我们来看一看 输入端和输出端的共模分量 要确定放大器的输入共模 可以在放大器的任意输入节点 使用基尔霍夫电流定律 公式如图中所展示的 我们求解方程 来确定放大器的输入共模 输入信号的共模电压 先前定义为 0V 根据定义 放大器的每个输出 都通过 VOCM 电压进行电平转换 在这种情况下为 2.5V 最后我们将 RF 和 RG 的值代入方程式 来求解于 VIN_CM 得到 0.5V 的输入共模电压 仔细观察最后的方程 我们将会发现 反馈和增益电阻 在放大器输出和信号输入之间 形成电阻分压网络 放大器的输入引脚 位于每个电阻分压器的中心 接下来我们评估 FDA 的差分信号响应 输入信号、输出共模 以及反馈和增益电阻 与上一张图片相同 我们在这里给出了 FDA 差分增益的详细数学推导 等式 1 和等式 2 分别通过 在两个放大器输入引脚处 执行 KCL 得到 最终的简化公式显示 对于配置有差分输入和输出的 FDA 差分信号增益是反馈和增益电阻的比率 我们仔细看方程 3 您会注意到 FDA 的每一半 都是反向配置的单端运算放大器 当将等式 3 的各半 都替换回等式 1 或者等式 2 时 分子中的两项将被抵消 并且放大器的输入共模变为零 这个结果表示 FDA 的输入共模完全是直流电压 就如图所示 它不依赖于差分信号的大小 现在我们已经分别研究了差分和共模行为 我们可以使用叠加 来确定输入和输出处的信号摆动 首先我们来执行输出分析 我们知道两个输出有 2.5V 的共模偏移 由 VOCM 设置 并且每个放大器的一半 具有反向增益 4 因此放大器的每个输出 都将是 800mVpp 的差分信号 如图片中所示 有 2.5V 的直流共模切换 这种配置中的 FDA 是完全平衡的 并且可以简化和仿照两个反向放大器 在中间分开 与单端反相放大器类似 输入共模将只有一个直流分量 而没有交流分量 如同我们之前所说的 输入端的直流电压 由 RF和 RG 的电阻分压网络确定 在这个例子中为 0.5V 认识到信号源正在驱动 有两个 RG 电阻器串联组成的 200Ω 的差分负载是非常重要的 在实际应用中 相关的驱动极可能是另一个放大器 因此确保放大器能够驱动 200Ω 的负载 而不会使信号失真是至关重要的 现在让我们来分析一下 配制成差分放大器的 单端输入的 FDA 的输入共模和输出摆幅 电路配置如图片中所示 请注意 FDA 只有一半是由信号源驱动的 另一半是非驱动端,连接到地 信号驱动的一半 FDA 应该具有与非驱动端相同的共模直流偏移 否则 FDA 将放大共模差异 作为差分输出失调电压 在信号驱动侧 具有除地之外的共模的情况下 非驱动侧应由低输出阻抗的 宽带直流电源驱动 这个问题的一个常见的解决方案 是使用一个运算放大器 其带宽与被驱动的 FDA 相似 或者信号也可以通过使用与 RG 串联的隔直电容来进行交流耦合 在此我们将重复在前面的例子中 使用的相同的输入和输出条件 以及电阻器的配置 每个 FDA 的输出端的直流偏置 将等于 VOCM 引脚的电压 在目前的情况下为 2.5V 要确定放大器输入端的共模偏移 请在任意放大器输入节点 再次使用 KCL 然后计算电阻分压器传输函数 如图中所示 这个例子的输入共模电压 与以前的放大器的配置一样 也是 500mV 正如我们在差分输入 到差分输出情况下所做的那样 我们现在将检查放大器的差分信号响应 这里显示的是差分信号响应的推导 就像在前面的情况一样 增益是反馈和增益电阻的比率 类似于反相放大器 现在仔细观察方程1 它表明放大器的输入共模 是单端输出的缩放版本 因此我们就可以得出结论 当 FDA 被配置为单端到差分输出放大器时 其输入共模将具有直流分量和交流分量 我们使用叠加结合共模和差分效应 来获得总体响应 放大器的输出 和差分输入到差分输出的情况是一样的 每个输出具有以 2.5V 直流失调为中心的 800mVpp 的摆幅 但是在单端输入的情况下 放大器的输入共模 同时具有直流和交流分量 我们前面讨论的交流分量 是单端输出的缩放版本 在这种情况下是 80mVpp 它的交流分量以 0.5V 的直流偏移为中心 当使用单端输入配置 FDA 时 请确保共模输入的极端摆幅 保持在放大器的输入共模规范范围内 ADC 驱动器应用 通常需要一个以地为中心的 单端双极性信号 转换成具有 DC 偏差的差分信号 ADC 通常在单个正电源上工作 一个常见的误解 是当输入信号以地为中心时 为了不使输入和输出饱和 FDA 必须使用分流电源 根据增益配置和直流输出共模 FDA 可能能够在 单个正电源接地的情况下 进行信号转换 我们将用一个例子来说明 THS4551 我们假设 0V 直流共模的 输入信号为 2Vpp 另外假定 FDA 在3.3V 和地的电源下的增益配置为1 最后假定输出共模引脚 设置为中间电源或者 1.65V 在这些条件下 放大器输出将是1.65V 共模上的 2Vpp 的差分信号 放大器的每个单端输出 因此将具有以 1.65V 共模为中心的 1Vpp 摆幅 如图中所示 THS4551 的数据表规定 其输出能够摆动到其 电源的 200mV 的范围内 在此示例配置中 我们在 3.1V 和 0.2V 之间摆动 因此放大器输出在这个例子中 具有足够的余量来提供 下一步是计算放大器输入引脚的信号摆幅 在 VOUT+ 和地之间 用等值电阻器来观察反馈网络 我们推断放大器的输入摆幅 将是输出摆幅的一半 或者在这个例子中 是在 0.575V 和 1.075V 之间 THS451 数据表 指定其输入引脚 可以摆动到负电源电压之下 并且在正电源的 1.1V 的范围内 在这个例子中 THS4551 的输入 是可以在 -0.2V 和正的 2.2V 之间摆动 在这个例子中 再次使用了足够的输入裕量 因此单边电源上的 FDA 可以配置为单电源 ADC 和双极性输入信号之间的接口 FDA 的输入和输出摆动 取决于以下三个因素 一是输入信号的幅度和它的共模 二是放大器的增益配置 三是 FDA 的输出共模 好,现在我们结束了 FDA 的共模 和差分信号的分析 请参加一个测试来检查您的知识 谢谢您的关看

大家好

欢迎来到全差分放大器系列的第二部分

在这个视频中

我们将分析 FDA 增益传递函数

以及其输入和输出的摆动规格

由于 FDA 可以接收

单端和差分的输入信号

因此我们将分别检查两种情况

首先让我们来分析一下

配置为差分输入和差分输出放大器的

FDA 的输入共模和输出摆幅

我将用一个数值的例子来简化分析

假定每个差分输入

在 0V 直流共模上摆动

200mVpp

并且两个输入如预期的那样相差180度

当我指定输入信号的共模时

我指的是 RG 输入端的电压

数据表中

放大器的共模输入规格

是放大器输入引脚的电压

如图中所示

另外假定放大器的输出共模为 2.5V

增益电阻 RG 为 100Ω

反馈电阻 RF 是 400Ω

我们将分别分析共模和差分元件

然后使用叠加原理

确定放大器的完整增益传递函数

首先我们来看一看

输入端和输出端的共模分量

要确定放大器的输入共模

可以在放大器的任意输入节点

使用基尔霍夫电流定律

公式如图中所展示的

我们求解方程

来确定放大器的输入共模

输入信号的共模电压

先前定义为 0V

根据定义

放大器的每个输出

都通过 VOCM 电压进行电平转换

在这种情况下为 2.5V

最后我们将 RF 和 RG 的值代入方程式

来求解于 VIN_CM

得到 0.5V 的输入共模电压

仔细观察最后的方程

我们将会发现

反馈和增益电阻

在放大器输出和信号输入之间

形成电阻分压网络

放大器的输入引脚

位于每个电阻分压器的中心

接下来我们评估 FDA 的差分信号响应

输入信号、输出共模

以及反馈和增益电阻

与上一张图片相同

我们在这里给出了 FDA

差分增益的详细数学推导

等式 1 和等式 2 分别通过

在两个放大器输入引脚处

执行 KCL 得到

最终的简化公式显示

对于配置有差分输入和输出的 FDA

差分信号增益是反馈和增益电阻的比率

我们仔细看方程 3

您会注意到 FDA 的每一半

都是反向配置的单端运算放大器

当将等式 3 的各半

都替换回等式 1 或者等式 2 时

分子中的两项将被抵消

并且放大器的输入共模变为零

这个结果表示

FDA 的输入共模完全是直流电压

就如图所示

它不依赖于差分信号的大小

现在我们已经分别研究了差分和共模行为

我们可以使用叠加

来确定输入和输出处的信号摆动

首先我们来执行输出分析

我们知道两个输出有 2.5V 的共模偏移

由 VOCM 设置

并且每个放大器的一半

具有反向增益 4

因此放大器的每个输出

都将是 800mVpp 的差分信号

如图片中所示

有 2.5V 的直流共模切换

这种配置中的 FDA

是完全平衡的

并且可以简化和仿照两个反向放大器

在中间分开

与单端反相放大器类似

输入共模将只有一个直流分量

而没有交流分量

如同我们之前所说的

输入端的直流电压

由 RF和 RG 的电阻分压网络确定

在这个例子中为 0.5V

认识到信号源正在驱动

有两个 RG 电阻器串联组成的

200Ω 的差分负载是非常重要的

在实际应用中

相关的驱动极可能是另一个放大器

因此确保放大器能够驱动 200Ω 的负载

而不会使信号失真是至关重要的

现在让我们来分析一下

配制成差分放大器的

单端输入的 FDA 的输入共模和输出摆幅

电路配置如图片中所示

请注意 FDA 只有一半是由信号源驱动的

另一半是非驱动端,连接到地

信号驱动的一半 FDA

应该具有与非驱动端相同的共模直流偏移

否则 FDA 将放大共模差异

作为差分输出失调电压

在信号驱动侧

具有除地之外的共模的情况下

非驱动侧应由低输出阻抗的

宽带直流电源驱动

这个问题的一个常见的解决方案

是使用一个运算放大器

其带宽与被驱动的 FDA 相似

或者信号也可以通过使用与

RG 串联的隔直电容来进行交流耦合

在此我们将重复在前面的例子中

使用的相同的输入和输出条件

以及电阻器的配置

每个 FDA 的输出端的直流偏置

将等于 VOCM 引脚的电压

在目前的情况下为 2.5V

要确定放大器输入端的共模偏移

请在任意放大器输入节点

再次使用 KCL

然后计算电阻分压器传输函数

如图中所示

这个例子的输入共模电压

与以前的放大器的配置一样

也是 500mV

正如我们在差分输入

到差分输出情况下所做的那样

我们现在将检查放大器的差分信号响应

这里显示的是差分信号响应的推导

就像在前面的情况一样

增益是反馈和增益电阻的比率

类似于反相放大器

现在仔细观察方程1

它表明放大器的输入共模

是单端输出的缩放版本

因此我们就可以得出结论

当 FDA 被配置为单端到差分输出放大器时

其输入共模将具有直流分量和交流分量

我们使用叠加结合共模和差分效应

来获得总体响应

放大器的输出

和差分输入到差分输出的情况是一样的

每个输出具有以 2.5V 直流失调为中心的

800mVpp 的摆幅

但是在单端输入的情况下

放大器的输入共模

同时具有直流和交流分量

我们前面讨论的交流分量

是单端输出的缩放版本

在这种情况下是 80mVpp

它的交流分量以 0.5V 的直流偏移为中心

当使用单端输入配置 FDA 时

请确保共模输入的极端摆幅

保持在放大器的输入共模规范范围内

ADC 驱动器应用

通常需要一个以地为中心的

单端双极性信号

转换成具有 DC 偏差的差分信号

ADC 通常在单个正电源上工作

一个常见的误解

是当输入信号以地为中心时

为了不使输入和输出饱和

FDA 必须使用分流电源

根据增益配置和直流输出共模

FDA 可能能够在

单个正电源接地的情况下

进行信号转换

我们将用一个例子来说明 THS4551

我们假设 0V 直流共模的

输入信号为 2Vpp

另外假定 FDA 在3.3V

和地的电源下的增益配置为1

最后假定输出共模引脚

设置为中间电源或者 1.65V

在这些条件下

放大器输出将是1.65V

共模上的 2Vpp 的差分信号

放大器的每个单端输出

因此将具有以 1.65V 共模为中心的

1Vpp 摆幅

如图中所示

THS4551 的数据表规定

其输出能够摆动到其

电源的 200mV 的范围内

在此示例配置中

我们在 3.1V 和 0.2V 之间摆动

因此放大器输出在这个例子中

具有足够的余量来提供

下一步是计算放大器输入引脚的信号摆幅

在 VOUT+ 和地之间

用等值电阻器来观察反馈网络

我们推断放大器的输入摆幅

将是输出摆幅的一半

或者在这个例子中

是在 0.575V 和 1.075V 之间

THS451 数据表

指定其输入引脚

可以摆动到负电源电压之下

并且在正电源的 1.1V 的范围内

在这个例子中

THS4551 的输入

是可以在 -0.2V 和正的 2.2V 之间摆动

在这个例子中

再次使用了足够的输入裕量

因此单边电源上的 FDA

可以配置为单电源 ADC

和双极性输入信号之间的接口

FDA 的输入和输出摆动

取决于以下三个因素

一是输入信号的幅度和它的共模

二是放大器的增益配置

三是 FDA 的输出共模

好,现在我们结束了 FDA 的共模

和差分信号的分析

请参加一个测试来检查您的知识

谢谢您的关看

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15.2 全差分放大器 — FDA的输入输出和共模

所属课程:TI 高精度实验室系列课程 - 放大器 发布时间:2018.05.21 视频集数:52 本节视频时长:11:57
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