15.1 全差分放大器 — 差分信号和FDA的介绍

欢迎来到 TI 精密实验室的培训视频

在本次培训视频系列中

我们将介绍一种称为全差分放大器

或者我们称为 FDA 的新型的放大器的结构

在介绍完全的差分放大器的结构和功能之前

先让我们了解下完全差分信号是什么

如图上所示

差分信号具有 180 度异相的两个互补输出

每个输出通过相同的直流共模电压

进行电平转换

最终的差分输出

是通过获取每个单端输出

之间的差值获得的

差分输出因此是每个单端输出的两倍

差分信号

因为它固有的抗外部噪声源的能力

通常会应用于音频

数据传输、电话系统

和高速数据采集的应用中

最近差分信号在高精度采集系统中

变得越来越流行

这是因为有更多的 SAR 和

δ-σ ADC采用了差分输入的架构

差分信号与单端信号相比

有以下几个优点

第一，由于差分信号

是两个彼此异相的单端信号

所以任何共模扰动

均等效的影响两个信号

并且将在差分输出处被理想的消除

这种对共模干扰的抑制

是全差分结构的主要优点之一

第二个优点，是偶次谐波失真

它与前面讨论的共模消除

具有相似的优点

因此差分信号的 THD 性能

往往比单端产品有所提高

第三，差分信号的另一个优点

是增加了动态范围

就如图中所示

当每个单端信号都具有 2Vpp 的摆幅时

差分输出的摆动是 4Vpp

从而使得信号的摆幅加倍

现在看到的图中显示了全差分放大器

或者称为 FDA 上的标准的引脚连接

我们有两个电源引脚

和两个输入引脚

就和标准的单端运算放大器一样

FDA 有两个差分的输出引脚

将产生互补的输出

VOCM 引脚用于控制放大器内部的次级环路

并设置 FDA 的直流输出共模电压

FDA 可以配置为

将单端输入信号转化为差分输出

如左下图所示

这种配置通常用作单端运算放大器

或者传感器与差分 ADC 之间的接口

FDA 是个对称的设备

这意味着这里显示的电源和地的连接

是可以颠倒

而不影响放大器的功能和性能的

FDA 也可以配置为差分输入

到差分输出的电路

如右下图所示

放大器的差分增益

由反馈电阻 RF 和增益电阻 RG 的比值决定

而共模增益

则由 VOCM 和反馈网络的组合来设定

只要反馈在相反极性的输入和输出引脚之间

FDA 就会配置一个负反馈回路

FDA 通常指的是集成放大器

但是全差分放大器

也可以使用分立式的

单端运算放大器来实现

我们在这里介绍了两种不同的实现方法

图中所示的第一种方法

是具有为前一个驱动阶段

提供高输入阻抗的好处

放大器1配置为缓冲器

同时驱动同相输出以及放大器2

放大器2配置为反相放大器

驱动反相输出

这个架构有一些缺点

由于放大器1驱动放大器2

因此 VOUT+ 和 VOUT- 之间

存在固有的路径差异

两路之间的相位差会导致平衡误差

这会削弱全差分结构的优点

即共模抑制的改善

和偶次谐波失真的改善

在差分信号发送中

各个单端输出之间的任何共模差异

都不会被拒绝

并且都被转化为差分输出

除了路径的差异之外

与集成的全差分放大器相比

两个分立放大器具有较差的匹配和对称特性

而其他的东西则会保持不变

我们需要记住

更好的匹配和对称

将总能实现更卓越的共模抑制和失真性能

两个放大器的输出噪声

由这里显示的公式给出

相比较本设计中所示的两个分立式放大器

所消耗的相同的静态功耗

集成式的全差分放大器

通常具有更好的噪声性能

而另个缺点就是缺乏共模电压控制

共模增益固定在 1V/V

在此处显示了使用分立式单端运算放大器

实现的全差分放大器的第二种方法

与之前的放大器不同

这个放大器配置

可用于将单端输入或者差分输入

转化为典型的 FDA 的差分输出

放大器有两个独立的反馈回路

差分增益回路和次级共模反馈回路

前向路径差分增益环路

由这里所示的两个输入放大器实现

而第三个放大器是共模反馈环路的部分

它允许系统保持所需要的共模输出电压

类似于集成的 FDA

它与集成的解决方案相比

两种分立式放大器的架构都具有明显的缺点

即较差的匹配

较高的每兆赫兹带宽

静态功耗和较高的噪声

现在我们已经看到

如何使用分立元件来实现

完全差分放大器

再让我们来研究下集成的设计

这里显示的是 THS4551 的内部框图

THS4551 是一款高精度的 FDA

通常用于驱动 SAR 和 δ-σ ADC

这个器件的核心是差分高开环增益

前向路径放大器

此外，这个设计的组成部分

是控制 FDA 输出共模电压的

次级误差放大器

误差放大器

通常是宽带宽、低噪声、单端运算放大器

通过检测前向放大器的差分输出的平均电压

并将其与 VOCM 引脚的电压进行相比

较来工作的

集成的 5.2kΩ 的电阻

检测前馈反放大器的平均输出电压

也就是它的共模电压

然后误差放大器将这个平均电压

与同相引脚上的直流电压进行比较

并调整其输出电压

误差放大器输出

随后驱动前馈放大器中的内部偏置节点

负反馈回路中的运算放大器的理想情况下

将两个输入相互跟踪

误差放大器的负反馈

因此作为调整前馈放大器的

内部偏置节点的伺服环路

直到其反相输入处的电压

等于 VOCM

当 VOCM 引脚悬空时

误差放大器同相输入端的电压

默认为中间电源

因为电源之间的内部

300kΩ 的电阻分压器

如果 VOCM 的引脚悬空

则应该在 VOCM 引脚

与地之间连接个电容

以减少 300kΩ 电阻的高频热噪声

如果应用需要与中间电源不同的输出共模

则用低输出阻抗的直流电源

在外部驱动 VOCM 引脚

ADC 的精密的 AC 或者 Vref 引脚

通常用于此目的

全差分放大器的操作

可以按照以下三条黄金法则来进行分析

第一条规则

FDA 的两个输入引脚相互追踪

这类似于单端运算放大器的虚拟接地的概念

请注意

直流和交流信号的分量是相等的

接下来的两个规则

与 FDA 的输出引脚有关

规则二

FDA 的两个单端输出

在频率和幅度上彼此相同

但是相位差 180 度

如图上所示

第三，也是最后一条规则

是两个单端输出共享相同的直流共模

或者换句话说

两个输出信号的瞬时平均值

总是等于 VOCM

例如如果 VOCM 设置为 2.5V

并且 VOUT+ 处的电压为 3.5V

则 VOUT- 的电压应该为 1.5V

以满足 FDA 的规则 2 和 3

以上就是对全差分放大器的介绍

非常感谢您的观看

请参加我们的测试

检验您对 FDA 基本操作原理的了解

谢谢观看

欢迎来到 TI 精密实验室的培训视频

在本次培训视频系列中

我们将介绍一种称为全差分放大器

或者我们称为 FDA 的新型的放大器的结构

在介绍完全的差分放大器的结构和功能之前

先让我们了解下完全差分信号是什么

如图上所示

差分信号具有 180 度异相的两个互补输出

每个输出通过相同的直流共模电压

进行电平转换

最终的差分输出

是通过获取每个单端输出

之间的差值获得的

差分输出因此是每个单端输出的两倍

差分信号

因为它固有的抗外部噪声源的能力

通常会应用于音频

数据传输、电话系统

和高速数据采集的应用中

最近差分信号在高精度采集系统中

变得越来越流行

这是因为有更多的 SAR 和

δ-σ ADC采用了差分输入的架构

差分信号与单端信号相比

有以下几个优点

第一，由于差分信号

是两个彼此异相的单端信号

所以任何共模扰动

均等效的影响两个信号

并且将在差分输出处被理想的消除

这种对共模干扰的抑制

是全差分结构的主要优点之一

第二个优点，是偶次谐波失真

它与前面讨论的共模消除

具有相似的优点

因此差分信号的 THD 性能

往往比单端产品有所提高

第三，差分信号的另一个优点

是增加了动态范围

就如图中所示

当每个单端信号都具有 2Vpp 的摆幅时

差分输出的摆动是 4Vpp

从而使得信号的摆幅加倍

现在看到的图中显示了全差分放大器

或者称为 FDA 上的标准的引脚连接

我们有两个电源引脚

和两个输入引脚

就和标准的单端运算放大器一样

FDA 有两个差分的输出引脚

将产生互补的输出

VOCM 引脚用于控制放大器内部的次级环路

并设置 FDA 的直流输出共模电压

FDA 可以配置为

将单端输入信号转化为差分输出

如左下图所示

这种配置通常用作单端运算放大器

或者传感器与差分 ADC 之间的接口

FDA 是个对称的设备

这意味着这里显示的电源和地的连接

是可以颠倒

而不影响放大器的功能和性能的

FDA 也可以配置为差分输入

到差分输出的电路

如右下图所示

放大器的差分增益

由反馈电阻 RF 和增益电阻 RG 的比值决定

而共模增益

则由 VOCM 和反馈网络的组合来设定

只要反馈在相反极性的输入和输出引脚之间

FDA 就会配置一个负反馈回路

FDA 通常指的是集成放大器

但是全差分放大器

也可以使用分立式的

单端运算放大器来实现

我们在这里介绍了两种不同的实现方法

图中所示的第一种方法

是具有为前一个驱动阶段

提供高输入阻抗的好处

放大器1配置为缓冲器

同时驱动同相输出以及放大器2

放大器2配置为反相放大器

驱动反相输出

这个架构有一些缺点

由于放大器1驱动放大器2

因此 VOUT+ 和 VOUT- 之间

存在固有的路径差异

两路之间的相位差会导致平衡误差

这会削弱全差分结构的优点

即共模抑制的改善

和偶次谐波失真的改善

在差分信号发送中

各个单端输出之间的任何共模差异

都不会被拒绝

并且都被转化为差分输出

除了路径的差异之外

与集成的全差分放大器相比

两个分立放大器具有较差的匹配和对称特性

而其他的东西则会保持不变

我们需要记住

更好的匹配和对称

将总能实现更卓越的共模抑制和失真性能

两个放大器的输出噪声

由这里显示的公式给出

相比较本设计中所示的两个分立式放大器

所消耗的相同的静态功耗

集成式的全差分放大器

通常具有更好的噪声性能

而另个缺点就是缺乏共模电压控制

共模增益固定在 1V/V

在此处显示了使用分立式单端运算放大器

实现的全差分放大器的第二种方法

与之前的放大器不同

这个放大器配置

可用于将单端输入或者差分输入

转化为典型的 FDA 的差分输出

放大器有两个独立的反馈回路

差分增益回路和次级共模反馈回路

前向路径差分增益环路

由这里所示的两个输入放大器实现

而第三个放大器是共模反馈环路的部分

它允许系统保持所需要的共模输出电压

类似于集成的 FDA

它与集成的解决方案相比

两种分立式放大器的架构都具有明显的缺点

即较差的匹配

较高的每兆赫兹带宽

静态功耗和较高的噪声

现在我们已经看到

如何使用分立元件来实现

完全差分放大器

再让我们来研究下集成的设计

这里显示的是 THS4551 的内部框图

THS4551 是一款高精度的 FDA

通常用于驱动 SAR 和 δ-σ ADC

这个器件的核心是差分高开环增益

前向路径放大器

此外，这个设计的组成部分

是控制 FDA 输出共模电压的

次级误差放大器

误差放大器

通常是宽带宽、低噪声、单端运算放大器

通过检测前向放大器的差分输出的平均电压

并将其与 VOCM 引脚的电压进行相比

较来工作的

集成的 5.2kΩ 的电阻

检测前馈反放大器的平均输出电压

也就是它的共模电压

然后误差放大器将这个平均电压

与同相引脚上的直流电压进行比较

并调整其输出电压

误差放大器输出

随后驱动前馈放大器中的内部偏置节点

负反馈回路中的运算放大器的理想情况下

将两个输入相互跟踪

误差放大器的负反馈

因此作为调整前馈放大器的

内部偏置节点的伺服环路

直到其反相输入处的电压

等于 VOCM

当 VOCM 引脚悬空时

误差放大器同相输入端的电压

默认为中间电源

因为电源之间的内部

300kΩ 的电阻分压器

如果 VOCM 的引脚悬空

则应该在 VOCM 引脚

与地之间连接个电容

以减少 300kΩ 电阻的高频热噪声

如果应用需要与中间电源不同的输出共模

则用低输出阻抗的直流电源

在外部驱动 VOCM 引脚

ADC 的精密的 AC 或者 Vref 引脚

通常用于此目的

全差分放大器的操作

可以按照以下三条黄金法则来进行分析

第一条规则

FDA 的两个输入引脚相互追踪

这类似于单端运算放大器的虚拟接地的概念

请注意

直流和交流信号的分量是相等的

接下来的两个规则

与 FDA 的输出引脚有关

规则二

FDA 的两个单端输出

在频率和幅度上彼此相同

但是相位差 180 度

如图上所示

第三，也是最后一条规则

是两个单端输出共享相同的直流共模

或者换句话说

两个输出信号的瞬时平均值

总是等于 VOCM

例如如果 VOCM 设置为 2.5V

并且 VOUT+ 处的电压为 3.5V

则 VOUT- 的电压应该为 1.5V

以满足 FDA 的规则 2 和 3

以上就是对全差分放大器的介绍

非常感谢您的观看

请参加我们的测试

检验您对 FDA 基本操作原理的了解

谢谢观看