Усилитель с дифференциальными входом и выходом

Большинство быстродействующих АЦП в настоящее время имеет диф­ференциальный вход. Поэтому в каче­стве драйверов таких АЦП следует ис­пользовать усилители с дифференци­альным выходом. Особенности построе­ния усилителя-драйвера рассмотрены в настоящей статье.

М. Герстенхабер, М. О’Салливан

Современные высококачественные АЦП мо­гут работать с однополярным напряжением пи­тания от 1.8 до 5 В или двухполярным ±5 В. Если сигнал на выходе датчика составляет ±10 В, на входе АЦП следует использовать уси­литель-драйвер, ослабляющий этот сигнал. Как правило, такие усилители имеют несимметрич­ный выход. Однако, если АЦП имеет дифферен­циальный (симметричный вход), целесообразно чтобы усилитель имел симметричный выход. Это позволит полностью использовать входной динамический диапазон преобразователя, уве­личить КОСС и снизить чувствительность к электромагнитным помехам.

Схема усилителя с дифференциальным вы­ходом и коэффициентом усиления К_у (G), рав­ным ¹/₂, приведена на рис. 1. Дифференциаль­ный усилитель А1 (AD8278) имеет К_у = ¹/₂. Его несимметричный выход подключен к неинвертирующему входу усилителя А2 и инвертирую­щему входу усилителя А3 (AD8279), каждый из которых имеет К_у = ¹/₂. Выходное напряжение ИМС AD8279 определятся выражением V_OUT(A2) — V_OUT(A3) или (V_IN/4) — (-V_IN/4) и равно V_IN/2.

Если АЦП работает от однополярного ис­точника питания, на вывод V_OFFSET (см. рис. 1) можно подать смещение, позволяющее пол­ностью использовать входной динамический диапазон АЦП. Если АЦП работает от двухпо­лярного источника питания, вывод V_OFFSET сле­дует заземлить. Вывод V_CM используется, если АЦП имеет несимметричный вход, в против­ном случае его следует заземлить.

Рис. 1. Функциональная схема усилителя с дифференциальным выходом

На рис. 2 приведены осциллограммы вход­ного сигнала, а также выходных инвертиро ванного, неинвертированного и дифференци­ального сигналов. Как следует из рис. 2, раз­мах выходного дифференциального сигнала вдвое меньше входного.

Рис. 2. Осциллограммы входных/выходных сигналов усилителя

Амплитудно-частотная характеристика усилителя приведена на рис. 3. Как следует из этого рисунка, она равномерна в полосе частот практически до 1 МГц.

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

На рис. 4 приведены переходные характе­ристики усилителя при подаче на вход сигнала прямоугольной формы. Как следует из этого рисунка, скорость нарастания сигнала на ин­вертирующем (неинвертирующем) выходе вдвое ниже, чем на дифференциальном.

Рис. 4. Переходные характеристики усилителя при входном сигнале прямоугольной формы

Сдвоенный усилитель AD8279 выпускается в корпусе 14-SOIC, одинарный — AD8278 — в корпусе 8-MSOP. Учитывая то, что оба усили­теля имеют встроенные резисторы с лазерной подгонкой сопротивлений, в них минимизиро­ваны погрешности, вызванные рассогласова­нием параметров этих резисторов. ИМС AD8278 и AD8279 имеют ток потребления 200 мкА в пересчете на усилитель, полосу про­пускания до 1 МГц и скорость нарастания не менее 2.4 В/мкс. Напряжение питания этих усилителей: однополярное — 2.5 В, двухполяр­ное — до ±18 В. Размах входного сигнала уси­лителя (V_IN, рис. 1) может достигать ±20 В, при этом на входе может быть достаточно боль­шое синфазное напряжение.

ВЫВОДЫ

1. При сопряжении АЦП с симметричным входом с датчиками, имеющими несимметрич­ный выход, в качестве драйвера преобразова­теля целесообразно использовать усилитель с несимметричным входом и симметричным вы­ходом.
2. Применение такого драйвера позволяет максимально использовать параметры АЦП как по точности, так и быстродействию.