低功耗差分放大器电路设计：转换与增益控制

本文主要探讨了运算放大器差分输入单端输出放大器的设计与应用，强调了这种放大器在抑制共模电压、提高信号稳定性方面的优势，特别适用于噪声环境中的传感器信号处理。 运算放大器差分输入单端输出放大器是一种常用的信号处理电路，它的设计目标是将微小的差分输入信号转换为可读的单端输出信号，同时有效地抑制共模电压。这种放大器在很多应用中是必要的，特别是在需要低功耗和高性能的场合。由于共模电压可能是交流或直流，且可能远大于差分输入电压，因此差分放大器的设计需要能够有效抑制这种共模干扰，而只放大差分信号。 在实际电路设计中，采用双通道精密运算放大器，如图1所示，可以构建一个简单的差分输入单端输出放大器。通过电阻性增益网络，系统增益可以调整，增益计算公式为增益=RF/1k，其中RF和RG1是关键的电阻，而VIN1和VIN2是差分输入电压。这样的设计在有电磁干扰（EMI）或射频干扰（RFI）的环境中能提供更稳定的表现，尤其适合热电偶、应变片和电桥式压力传感器等微弱信号的测量。 该电路不仅能够测量传感器两端的电压差，还提供了一定程度的系统增益和共模抑制功能，使得性能优于单端输入设计。值得注意的是，传感器的地线可以独立于模拟地，这在某些应用中是非常重要的。系统的精度依赖于网络电阻的公差，因此选择高质量的精密电阻至关重要。 例如，ADA4807-2这样的180MHz双通道运算放大器，因其低静态电流（1000A/放大器）和反相放大器配置，适用于低功耗、高分辨率的数据采集系统。由于其轨到轨输出能力，它特别适合处理共模电压高于电源电压的情况，比如在需要将差分电压转换为0V至5V单端信号以供ADC接收的应用中。 图2展示了不同系统增益下，当差分输入电压为1Vp-p时，1kHz频率下的电路性能。通过调整RF的值，可以设置所需的系统增益，如图所示的增益为1、2和4的情况。这种电路在测量两个较大电压之间的微小差异时表现出色，例如在处理传感器电桥产生的差分电压时，即使在有共模噪声的压力变化情况下也能提供准确的测量结果。 总结来说，运算放大器差分输入单端输出放大器是一种关键的信号处理工具，它在抑制共模噪声、提高信号质量以及适应不同应用场景方面具有显著的优势。通过精心设计和选择合适的运算放大器，可以实现高效、精确的信号转换。