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1、了解单端、伪差分和全差分 ADC当今许多仪器仪表和过程控制应用程序使用模数转换器（ADC）转换传感器的模拟输出， 以进行处理和/或存储。对于电压输入ADC，存在三种不同的输入结构类型：单端、伪差分 和全差分。本教程解释了输入类型之间的差异、优势和权衡。今天的许多电子仪器依靠微控制器或数字信号处理器（DSP）来处理真实世界的模拟信 号。传感器将温度或压力等自然参数转换为电压或电流。模数转换器（ADC或A/D转换器） 将信号转换成数字形式。对于电压输入ADC，存在三种不同的输入结构类型：单端、伪差分和全差分。最简单的解决方案是选择与传感器输出相匹配的 ADC 输入结构。然而，每种结构都有 需要考虑
2、的权衡。此外，如果在传感器和ADC之间使用信号调节电路，则该电路会影响ADC 输入结构的选择。有些ADC是可配置的，允许在单端或伪差分输入结构（MAX186、MAX147） 之间进行选择，而其他ADC则允许在单端或全差分（MAX1298、MAX1286）之间进行选择。全差分输入为了最大限度地抑制噪声，使用全差分输入。图1显示了一个全差分ADC T/H输入结构 的示例。在充电模式下Csample+对AIN+ Vdd/2充电，Csample-对AIN- Vdd/2充电。当T/H 切换到保持模式时，Csample （ + ）和Csample（-）串联在一起，这样提供给ADC的电压样 本是AIN（ +
3、）和AIN（-）的差值。差分结构和T/H中可接受的输入带宽是良好的动态共模差分输入的噪声可能会超过允许的输入范围。为获得最佳性能，请减小输入信号范围， 以确保不会超出ADC输入范围。差分信号的另一个主要优点是增加了动态范围。随着电源电压降到3.3V或更低，设计 工程师正在寻找实现更大输入动态范围的方法。理论上，对于单端和全差分输入，给定相同 的电压范围，全差分输入将具有两倍的动态范围（图2）。这是因为两个差分输入可以180 异相，如图 3 所示。可检测信号定义 SNR：最小可检测信号通常受到噪声下限的限制。由于全差分输入的电压电平是满量程输入电压电平的2 倍，并且具有优越的直流和交流共模抑制（
4、表现为噪声），信噪比提高。浮动差分输入理想情况下，只要差分电压不超过 ADC 输入范围，就可以在差分系统中存在超过 GND 和 VDD 的共模电压。实际上，只有在传感器和 ADC 被隔离的情况下，这是可以实现的。在图4的例子中，AIN ( + )和AIN (-)处的电压在ADC指定的输入范围内，但传感器输出电 压上的大共模电压迫使ADC输入超过最大输入电压规格。TransducerGND2CVjCommonVoltageFigure 4 High common-mode voltage图5显示了相同的系统，但使用的是一个独立的电源，带有电隔离接地。RBias将输入 偏置到VREF/2,以最大限
5、度地减小因泄漏电流引起的漂移。只要接地之间存在隔离，ADC 只能看到AIN ( + )和AIN (-)之间的电压差，因此传感器(或ADC)被称为“浮动”(注： 为确保电流隔离，必须考虑传感器接地和系统接地之间的所有泄漏路径。电池供电系统固有 地提供隔离，前提是其机箱与内部ADC系统接地隔离)。Figure 5 High common-mode voltage witha separate system power supplyIsolated PowerTransducer:小 L；ISO GMJf A1N(+严、ADC2DV_L1Common Mode 二Vorta伪差分输入伪差分输入与全差
6、分输入类似，因为它们将信号地与 ADC 地分开，从而可以消除直流 共模电压(与单端输入不同)。然而，与全差分输入不同，它们对动态共模噪声的影响很小。在图6中，采样只发生在输入的AIN( + )信号上。公共信号，AIN(-)不采样。在“跟 踪”模式下，采样电容器通过串联电阻 RON 充电。在“保持”模式下，采样电容器连接到 AIN(-)，并向ADC提供反向输入信号进行转换。因为采样只发生在AIN( + )输入上，所以 在转换过程中，AIN (-)必须保持在土O.1LSB范围内，以获得最佳性能。实现伪差分输入的另一种方法依次对AIN ( + )和AIN (-)进行采样，并提供两个电压 的差作为转换
7、结果。对于动态信号，在采样期间，AIN ( + )和AIN (-)的相位不匹配，从而 导致失真。为动态时变信号选择具有全差分输入的ADC。伪差分输入的一个典型应用是测量偏向于任意直流电平的传感器。有些部件，如MAX146，有一个COM引脚，允许参考共模电压的单端输入，使之成为伪差分。所有输入通 道均参考 COM 电压。图7显示了连接在惠斯通电桥应用中的热敏电阻。在本例中，AIN （ + ）和AIN（-）均为 非零。ADC的输出代码是差分电压AIN（ +）-AIN（-）的函数。伪差分输入抵消了直流共模 电压。为确保AIN （-）稳定在土 O.1LSB范围内，使用O.1UF电容器将AIN （-）旁
8、路至模拟 接地。单端输入单端输入通常足以满足大多数应用。在单端应用中，所有信号都在ADC处被引用到一 个公共接地上。每个通道使用一个输入引脚。模拟接地引脚在多通道系统的所有输入之间共 享。信号通路中的直流偏移和/或噪声将减小输入信号的动态范围。如果信号源和ADC彼此 靠近（即在同一块板上，以便信号轨迹尽可能短），则单端输入是理想的。单端输入更容易 受到耦合噪声和直流偏移的影响。然而，信号调节电路可以减少这些影响。图8显示了单端ADC的跟踪保持（T/H）输入的简化示例。采样电容器在“跟踪”模式下通过串联电阻切换到输入引脚。当T/H进入“保持”模式（在实际转换过程中）时，开关 打开，ADC将采样电
9、容器上的电压转换为数字代码。Figure 8. Single-ended T/H stage共模电压和共模抑制比 共模电压是指共模电压（即，具有相同的幅值和相位，出现在两个差分输入端（图 9）。共模抑制比（CMRR）通常用于全差分输入，并描述了 ADC抑制共模（通常是直流）电压的 能力。出现在 ADC 输入端的直流共模电压与直流输入偏移具有相同的效果。通常情况下， 传感器信号和地线在物理上非常接近，并且会在共模噪声中耦合。共模噪声的最大来源通常 是来自电力线的50/60HZ噪声。电源纹波、电动势、射频或高频开关噪声也可能是共模噪声 的来源。共模抑制比（CMRR）通常定义为差分电压增益与共模电压
10、增益之比：这里：ADIFF=差分电压增益ACM=共模电压增益对于ADC，差分电压增益（ADIFF）定义为输出代码/差分电压，共模电压增益定义为输 出代码/共模电压。对于全差分输入，输出代码相对于共模电压的变化很小；因此，共模抑 制比（CMRR）将很大，通常用对数标度表示。需要注意的是， CMRR 是一个依赖于频率的参数。随着共模电压频率的增加， AIN（+） 和AIN（-）之间的最佳共模抑制相位匹配变得更加困难。因此，共模抑制在高频下效果较差。总结将传感器连接到ADC需要使传感器/信号调节输出与ADC输入相匹配。电压输出传感器 提供单端或差分输出。对于单端信号，所有输入均参考系统接地。差分信号
11、提供正信号和负 信号，正输出（AIN+）参考负输出（AIN-）。三种常见的ADC输入结构适用于单端或差分输出传感器： 单端、伪微分或全微分。最简单的方法是在测量单端信号时使用单端ADC。如果使用差分ADC测量单端信号， 只需将ADC AIN（-）引脚连接到模拟接地。这允许使用多通道差分输入ADC测量单端和差 分信号。通过测量传感器正极和负极端子之间的电压差，差分输入可以提供比单端输入更好的性 能。这提供了共模抑制。选择伪差分adc进行直流共模电压抑制。对于需要激励的传感器, 使用伪差分ADC可以使偏置电压归零，并允许传感器接地与模拟接地不同。伪差分输入不提供交流共模抑制。对于动态共模抑制，选择全差分ADC。全差分输入通 过抑制直流和动态共模电压提供最佳性能。使用哪种输入结构的最终选择将取决于传感器、 信号调节电路、应用和精度要求。
