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1、通常有两种方法产生/利用(man ipulate)差分信号：1. 电子线路方式(electronic):成本低，体积和重量小，在低频和直流时频 率响应好2. 变压器方式：有很好的共模抑制比(CMRR),电流隔离，无功率损耗， 有很好的抗恶劣EMC性。差分运放的共模输出电压：差分运放输出的共模电压与输入无关，而由输入引脚vcm电压决定。当vcmcmcm引脚悬空时，差分运放输出的共模电压由其自身的结构决定，应用时应参考其数 据手册。01eVcmOutput Buffer0UT+Output Buffer控制输出共模电压图 1 差分运放原理简图如上图所示，差分运放内部有一个Vcm error amp
2、lifier(Vcm偏差放大器)。它通 过不断比较输出共模电压和Vcm端的电压并调整内部的反馈回路来保证共模输出 电压跟随 Vcm。cm差分运放的优点：1. 抗噪声能力增强。在差分系统中，保证差分传输线尽可能的靠近，可以 使线路耦合的噪声表现为共模电压。同时电源部分引入的噪声也以共模 电压的形式体现。而差分运放具有很好的CMRR，对共模电压有很好的 抑制作用，所以差分运放有更好的抗噪声能力。2. 动态范围增大一倍。由于两个差分输出在相位上的改变，其输出的动态 范围与单端输出相比增加一倍。3. 消除偶次谐波差分运放的输入输出相位变化：图 2 差分运放典型应用电路 差分运放两条反馈通路必须保持平衡
3、。两条反馈通道构成了对称的反相器。 其输入与输出的相位关系如下：Rf差分运放输入电阻的计算图 5 差分运放单端输入时输入电阻由上图，差分运放单端输入时的输入电阻计算公式为：RINR、2x（R + R ）GF差分运放的几个电路图 6 差分运放基本电路 由上图，有下列定义：输入定义: V =V -V V =（V +V ）/2: VID = VIN+ - VIN-V IC = （VIN+ + VIN-）/2 V +VOUT+ OUT = V2OCMR1R +Rq12输出定义：Vod = Vout+ VOUT VRP 的定乂： Pi = f3r3 则由上述定义，有：2VIN+（1 一 P1）一 VIN
4、（1 一 P2） + 2VOCM（P1 P2）OC-P4VODB1 + B2由上式可以看出，如果两反馈通道平衡，即有Ri = R3， R? = R4。此时有P1 =P2 = P。则传递函数可以表达为：2V V V1P ROD = OUT+ OUT =2V V VB RIDIN+ IN1由上式可以看出，输入与输出的共模电压对传递函数无作用。此处应注意的 是，两个反相反馈通道最后在输出端得到一个正的增益。在许多应用中，往往要求将单端信号转换为差分信号，现对以下几个电路进 行介绍：V=2VIN+(1-B1) + 2VOCM(B1-B2)ODBi + B2保持Bi = B2，以避免voc M对vod的
5、影响。以下为几种反馈不平衡的形式。此时VOCM会通过对VUT+和VUT_的不同影响 而改变差分运放内部工作点，使输出 VOD 出现 VOCM 的相关项。这样会使差分运 放的 CMRR 和抗干扰性大幅下降，在实际应用中不推荐。此处只是作为扩展。图 7 平衡时图 8 B=o2VIN+- 2VOUTAF二2OCM图 9 B2=2V (i-B )V = IN+v, + 2VODBOCMiR4VA图10 02V (1-R ) + 2Vc“(B“ - 1)V = IN+1 丿OCM 1_OD+1差分运放的阻抗匹配问题:分为差分输入和单端输入两种情况。下面分别予以介绍。 差分输入形式：图 11 对差分输入进
6、行阻抗匹配上图中RS为差分电源的电源内阻，Rt为匹配阻抗，差分运放两反馈通道平 衡，即R1=R3,R2=R4。所以上图电路已处于平衡状态，现在需要解决两个问题：阻 抗匹配和增益设置。图 12 差分输入匹配电阻根据理想放大器的性质，有VN=Vp,所以R1与R3是“虚短”的，正如图12 所示。为实现阻抗匹配，需有：RS = Zt = Rtll（R1 + R3）。所以可求出Rt为：Rt=为求电路的增益，将差分电源进行等效变换：图 13 电源等效变换由上图：有：Rt所以：VOUT = VtHr +弧=VSr +弧G 2 G 2RXtR +RCtSgv=r+Rf4riXr此处Rf为反馈电阻（R2或R4）
7、，Rg为输入电阻（R1 或 R3）。 单端输入形式：图 15 单端输入进行阻抗匹配上图中RS为单端电源的电源内阻，Rt为匹配阻抗，差分运放两反馈通道处Z1TR3于不平衡状态。现在需要解决三个问题：阻抗匹配、增益设置及平衡反馈。为求出匹配阻抗Rt，根据理想运放的性质，输入阻抗等效如下：R3J 2xCl-K)图 16 单端输入匹配电阻RK = _2RRV =V =V X1P N OUT+ R + R 12KV1RKV= hXR；+兀=2（点）（共模电压为V）V - V VI = !N P = _INx(1)R3R3R32(1+ K)丿R = Zin =R3_Rinir(1 , KR3(1 2(1
8、+ K)丿R1RJIRi叶图 17 等效后电路RS = Rt|RIN由此，可以求出Rt，匹配电源内阻。同上，对电源进行等效变换(见图13)。74所以有：VOUT = RFXR + RStR = R + R |R 。1 3 t S其中 RF = R2 = R4，RG = R1 = R3 + RtHRSG = VOUT = RF XRtVsRg为保证反馈平衡，应满足：R2 = R4,抗混叠滤波器(Anti-alias filtering)差分运放的一个主要应用是构成 ADC 差分输入端的低通抗混叠滤波器。 下图为一阶低通抗混叠滤波器，很容易构成，只需在反馈通路加上电容。在 反馈平衡时，其传输函数为
9、：VOUT = RF X VINRG 1 + j2nfRFCF该传递函数有一个负的实极点。Wv比wl图 18 一阶低通抗混叠滤波器为构成二级低通抗混叠滤波器，可在输出端串联一级低通滤波器。图 19 二阶低通抗混叠滤波器 此时电路的传输函数为： VOUTRF1OUT = F XXVINRG1+j2nfRFCF1+j2nfXRoCO此时滤波器有两个负的实极点。对于电容C。，可以接在差分输出之间，如 上图中的实线所示，也可分别对地接在两个输出端，但此时容值应加倍，如图中 虚线所示。通常R。要求为低阻值。当信号频率超过滤波器极点时，CO会成为运放的负载，这将会影响运放的输出，引起附加的失真。为了避免这
10、种影响，应该 将滤波器的两个极点错开，且由ROCO构成的极点频率应大于由RfCF构成的极点 频率。差分运放单端输入时阻抗匹配计算的另一种方法前面已经介绍了差分运放单端输入时进行阻抗变换的简化计算方法。下面给 出一种比之精确的计算方法。图20 为单端输入时的电路图。为方便分析，图20 可以等效为图21。其主 要特点为单端输入信号以地为参考，负输入端由等效电阻：req = rg + rsiirt等效原电阻网络。Addd for BalanceTerminauDn ResistorGain-Setting 7匪创storsWtwSingleEndedSourceVAWV图 20 FDA 单端输入电路
11、图 21 FDA 单端输入等效电路由于是单端输入， FDA 只有一端（正输入端）被驱动，而另一端被接地。此 时运放的输入引脚并不是被固定在某一个固定的电压值，而是具有类似交流的特 性。所以尽管运放两输入端的电压差被驱动向零，我们已不能再用虚短的观点去 分析运放的输入阻抗。此时需要使用更复杂的方法。-FDAreq Rg+RiHRs1w.vS|GN ZILT&r图 22 FDA 正输入端电阻网络 上图中，为满足阻抗匹配，有：VZ =|R = Z |RIN ITATINI = VIN VOUTIN Ru + RFG为方便分析，将信号源进行等效转换，如下图所示 我们可以将VIN做叠加点处理，所以有：K
12、Rf + RJ + VUT-Ip = 0图 23 FDA 正输入端等效电路此时需要表达出 VOUT-VOUT -二_1IN-p) + 2 打CM# 企具体推导12pOCM 2Vsig(R-+r-)(Rf + Rg) + Vout-(RsI|Rt) V =STINR +R +R |RmF G S T过程见另一文档和 PDF)：r;Rlr;)(1-b+) B+ + B_上式中，B+代替了 Bi, B-代替了 B2。VSIG ( 所以vin为零，假设输出共模电压为零。式中：B = Rg B = Rg + RsI|Rt + _科;一 一 Rf + Rg + RsIIRt通过上述推导，可以得出(简化的结
13、果)：Z = (Rf + RgJ(B+ + B-)ZAVOUT-VSIG (丿为V|N+，负输入端接地,R S +RT上式中，当取b+ = B入阻抗计算公式： RIN时便得到了原来简化的FDA单端输入时的输RF+RG1_Rf2(R F+RG)RTxTR +RmST这时电路的增益为：VRG= OUT =FVSIGRg + RsI|Rt实际应用中，根据上述两式一般很难得到结果，更常用的一种方法为使用下 述公式：111 _ GF 2GF片=石-羽呵X2Rf_Z0GF其中Z0为所需要的匹配终端，G为目标增益，F为一个小于1的因子，它的 取值依赖于G和Rf的取值。使用下述公式求出Rg：2R RRG=G(
14、Z_RS|RT在实际设计中，目标增益G和Z。是由系统设计所设定的。为保证差分运放 的性能Rf的选值应在一定的范围之内(Rf太大的话会增大噪声，并有可能与寄 生电容作用限制系统的带宽，Rf太小的话会增加失真)。所以我们应该根据FDA 的数据手册先选择Rf的值，然后尝试F值直到满足ZIN=Z。(ZIN由ZA公式求出, 这是一个迭代过程)。差分运放反馈不平衡时的影响当差分运放的两反馈回路不平衡时，电路的增益比两反馈回路增益的平均值 略高，其输出的共模电压在运放内部共模反馈回路的作用下仍会跟随VOCM即 输出仍是平衡的。但这种失配误差会降低电路抗共模噪声的性能。 1%的失配误 差会引起输入CMRR降低46dB。在直
