Дифференциальный усилитель со сдвигом выходного сигнала

В статье рассмотрены схемы по­строения дифференциальных усилителей с однополярным ис­точником питания и двухполяр­ным входным сигналом.

М. Герстенхабер, М. О’Салливан

В миниатюрных высококачественных АЦП, как правило, используется однополяр­ный источник питания с диапазоном напряже­ний от 1.8 до 5 В. Если источник входного сиг­нала имеет размах напряжений ±10 В, то меж­ду АЦП и этим источником необходимо вклю­чить согласующий усилитель. Использование в качестве согласующих каскадов дифферен­циальных усилителей позволяет существенно ослабить синфазную помеху, причем, если для регулировки коэффициента усиления приме­няют внешние дискретные резисторы с по­грешностью подгонки 0.1%, то КОСС состав­ляет не более 54 дБ, если же подстроечные ре­зисторы выполнены в едином технологиче­ском цикле вместе с усилителем и их подгонка выполнена лазером, то КОСС такого усилителя может составить 80 дБ и более.

Дифференциальные усилители нового поко­ления, в отличие от выпускавшихся несколько лет назад, имеют однополярное напряжение питания от 1.8 до 15 В. Если на вход такого уси­лителя подать сигнал отрицательной полярно­сти, то выходной сигнал необходимо сместить так, чтобы исключить его ограничение. Напри­мер, если напряжение питания дифференци­ального усилителя составляет 5 В, то достаточ­но использовать опорный источник напряже­нием 2.5 В, чтобы сместить центральную точку шкалы выходного сигнала в область положи­тельных напряжений. Источник сигнала сме­щения должен иметь малый выходной импе­данс для обеспечения высокого КОСС. Схема такого усилителя с внешними прецизионными резисторами приведена на рис. 1.

Рис. 1. Дифференциальный усилитель с однополярным питанием и сдвигом выходного сигнала, выполненный на основе внешних дискретных резисторов

Рис. 2. Усилитель AD8271 со сдвигом выходного сигнала, формируемым внутренними прецизионными резисторами

Альтернатив­ное схемотехническое решение с использовани­ем дифференциального усилителя AD8271, включающего подогнанные лазером подстроеч­ные резисторы, показано на рис. 2. Отметим, что тонкопленочные резисторы усилителя AD8271 хорошо согласованы между собой и от­личаются малым температурным дрейфом. Остановимся более подробно на анализе харак­теристик дифференциального усилителя AD8271. Он имеет программируемый коэффи­циент усиления в диапазоне от 0.5 до 2 (сим­метричное включение) и в диапазоне от -2 до 3 (несимметричное включение), содержит семь внутренних резисторов с лазерной подгонкой их параметров в процессе производства.

Усилитель выпускается в двух модифика­циях: В– и А-типов. Усилители модификации В-типа имеют погрешность К_у не более 0.02%, дрейф К у – 2 ppm/°C, напряжение смещения нуля — 600 мкВ и минимальный КОСС – 80 дБ. Усилители модификации А имеют погреш­ность К_у не более 0.05%, температурный дрейф К_у – 100 ppm/°C, напряжение смещения нуля – 1 мВ и минимальный КОСС – 74 дБ. Коэффициент нелинейных искажений обоих типов AD8271 равен -110 дБ в полосе частот 15 МГц, а скорость нарастания составляет 30 В/мкс. Перечисленные параметры говорят о том, что этот усилитель является идеальным устройством для применения в измерительных приборах. Ток потребления AD8271 не превы­шает 2.3 мА. Тип его корпуса – 10-MSOP. Он может работать как с однополярным, так и двухполярным напряжением питания в диапа­зоне 5…36 В или ±2.5…±18 В. Диапазон рабо­чих температур от -40 до 85 °С, стоимость $ 1.25 в партии 1000 шт.

ВЫВОДЫ

1. При использовании современных миниа­тюрных АЦП с однополярным питанием для кодирования двухполярных сигналов необхо­димо применять согласующие усилители со сдвигом выходного сигнала в область положи­тельных напряжений.
2. Новые дифференциальные усилители типа AD8271 со встроенными прецизионными резисторами обеспечивают согласование вход­ного диапазона АЦП с выходным диапазоном источника сигналов практически без внесения дополнительной погрешности в измеритель­ный канал проектируемого устройства.