作者：Chau Tran and Jordyn Rombola

在許多應用中，ADC需要在存在大共模信號的情況下處理小差分輸入信號。傳統的儀表放大器（儀表放大器）由于其單端輸出和有限的共模范圍，在這些應用中并不常用。為了利用其高性能和低成本的優勢，可以設計一個簡單的電路，將其單端輸出轉換為差分輸出，并改善其輸入共模范圍以適合這些應用。有許多低成本儀表放大器具有帶寬、直流精度和低功耗，可以滿足所有系統要求。使用儀表放大器的另一個優點是，用戶不必構建自己的差分放大器，這需要許多昂貴的分立元件。本文介紹了一種構建和優化低成本儀表放大器性能的簡單方法。此外，該解決方案在成本和性能方面與單片儀表放大器相比具有競爭力。

圖1詳細介紹了所建議的精密系統設計，允許用戶在存在高共模電壓的情況下測量差分信號。該電路包括一個輸入緩沖器、一個ADC驅動器和一個基準電壓源。緩沖器驅動儀表放大器的基準引腳，并將單端輸出轉換為差分輸出。有一個非常高的輸入共模電壓范圍。它可以處理高達 ±270 V（使用 ±15 V 電源）的共模電壓，幾乎是電源上方和下方的 20 倍，這對于電機控制應用至關重要。此外，其輸入受到高達 ±500 V 的共模或差模瞬變保護。

圖1.單端輸入差分輸出放大器。

對于此應用，使用±5 V電源，因此輸入電壓的共模范圍為±80 V。

差分輸出由以下公式定義：

共模輸出由下式設置：

本電路的優點是直流差分精度取決于差動放大器AD629和儀表放大器AD8421，而不是運算放大器或外部10 kΩ電阻。此外，該電路還利用了儀表放大器相對于基準電壓對其輸出電壓的精確控制。雖然運算放大器的直流性能和電阻匹配會影響直流共模輸出精度，但這些誤差可能會被信號鏈中的下一個器件抑制，因此對整體系統精度影響不大。

為了獲得最佳交流性能，建議使用具有高帶寬和壓擺率的運算放大器。在本電路中，運算放大器的選擇是ADA4807。

為避免寄生電容使ADA4807不穩定，應盡可能縮短從電阻到反相端的走線長度。如果不可避免地使用較長的走線，請使用較低值的電阻。

高性能ADC通常采用5 V單電源供電，并具有自己的基準電壓。該基準電壓用作差分輸出的共模電壓，無需基準電壓源。因此，輸出與ADC成比例，這意味著V的任何變化裁判的ADC不會影響系統的性能。

該差分放大器抑制共模電壓的能力取決于AD629差分放大器內部調整電阻的比率匹配。因此，它優于采用分立放大器的儀表放大器。

對于具有0.1%外部電阻的分立放大器，CMR限制為54 dB。儀表放大器采用集成的精密激光調整電阻器，使系統能夠實現 80 dB 或更高的 CMR。這些電阻器也由相同的低漂移薄膜材料制成，因此它們在整個溫度范圍內的比率匹配非常出色。

ADC可以采用5 V單電源供電，基準引腳上有一個2.5 V低阻抗電源。這會將輸出設置為中間電源，并提高ADC輸入端的共模電壓。

輸出波形的示波器圖如圖2所示。兩個儀表放大器的增益均為1。V在是一個 1 V pp 10 kHz 正弦波，采用大共模電壓。V外+ 和 V外– 是 ±0.5 V pp 正弦波和余弦波。V外_diff是1 V pp的差分輸出電壓，僅為V在刪除共模。

圖2.電路性能：上圖：兩路互補輸出，中圖：輸入電壓與大共模，
下圖：差分輸出。

儀表放大器的增益可以通過增加一個電阻RG來增加：

該電路還可用于功耗敏感型應用。該器件的總靜態電流為5 mA，采用5 V雙電源供電，功耗約為50 mW，比采用初級ADC驅動器（例如AD8138和AD8131差分驅動器放大器）或分立放大器的其他解決方案低50%。

審核編輯：郭婷