Проектирование активного дифференциала для одноконвертных преобразователей с помощью Op Amps для совместимости сигналов

Дифференциальная сигнализация предлагает превосходный помеховой иммунитет и отказ в обычном режиме, что делает ее основой многих современных интерфейсов связи, линий датчиков и высокоточных аудиодорожек. Однако большинство этапов обработки - ADC, микроконтроллеры и одноконтурные усилители - работают на одноконтурных сигналах, ссылающихся на землю. Для преодоления этих двух миров требуется надежный преобразователь с дифференциацией до одного конца. В то время как пассивные сети резисторов могут выполнять это преобразование, они часто страдают от ошибок усиления, плохого входного импеданса и отсутствия возможности привода. Активные преобразователи, построенные вокруг операционных усилителей (op amps), преодолевают эти ограничения, обеспечивая точный прирост, высокое входное импеданс и низкое выходное импеданс наряду с возможностью фильтровать и буферизировать сигнал. Эта статья обеспечивает тщательное, ориентированное на дизайн исследование активных дифференциальных до одного конверсионных преобразователей с использованием op amps, охватывающих теорию, конфигурацию схем, выбор компонентов, компромиссы проектирования и практические примеры. Цель состоит в том, чтобы вооружить вас знаниями

Понимание дифференциальных и одноконцевых сигналов

Перед погружением в конструкцию конвертера необходимо понять основные характеристики каждого типа сигнализации.

Дифференциальные сигналы

Дифференциальный сигнал состоит из двух дополнительных напряжений, часто помеченных V_IN+ и V_IN−. Информация кодируется в их разностностиDIFF = V_IN+IN−_IN−, в то время как среднее значение (напряжение в обычном режиме, V_CM обычно отклоняется.

• Шумовой иммунитет: Внешние электромагнитные помехи соединяются в равной степени в обе линии (шум в обычном режиме). Приемники, которые только смотрят на разницу, эффективно отменяют этот шум.
• Сниженные наземные петли: Поскольку через землю не возвращается сигнальный ток, различия в потенциале грунта между источником и приемником не влияют на сигнал.
• Более высокий динамический диапазон: Для заданного напряжения питания дифференциальные колебания могут быть вдвое больше, чем одноконцевые (например, ±5 В вместо 0-5 В).

Одноконцевые сигналы

Одноконечный сигнал измеряется между одним проводом и общей землей. Он прост в генерации и интерфейсе, но страдает от шума земли и восприимчивости к помехам. Большинство аналого-цифровых преобразователей (ADC), микроконтроллеров и этапов операционного усилителя ожидают однократных входов.

Преобразование дифференциального сигнала в одноконцовый сохраняет информацию о сигнале, жертвуя некоторыми преимуществами дифференциала, но преобразование должно быть сделано без ухудшения исходного качества сигнала. Активный преобразователь может поддерживать высокий отказ в обычном режиме (CMRR), точный прирост и адекватную пропускную способность - чего пассивный делитель резисторов не может достичь.

Роль Op Amps в преобразовании сигналов

Операционные усилители — это активные элементы, позволяющие точно и гибко преобразовывать дифференциал в один конец. Их высокий коэффициент усиления в открытом цикле, высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление делают их идеальными для этой задачи. Оп-ампер с помощью внешних резисторов обратной связи реализует дифференциальный усилитель, который вычитает два входа и усиливает результат.

Параметры критического усилителя для конвертерного дизайна

Не все усилители op подходят. Должны быть тщательно оценены следующие параметры:

• Общее отношение отказов (CMRR): Это указывает, насколько хорошо усилитель оптики отклоняет сигналы, общие для обоих входов. Для точного преобразования CMRR должен быть высоким (обычно > 80 дБ), чтобы выход не содержал реплику напряжения общего режима. Общий преобразователь CMRR также зависит от соответствия резистора.
• Напряжение впускного выключения (V_]OS): Любое смещение на входах усилителя op появляется как ошибка на выходе, масштабируемая усилением шума.
• Slew Rate and Gain-Bandwidth Product (GBW): Оп-ампер должен работать достаточно быстро и иметь достаточную пропускную способность для обработки максимальной частоты сигнала без искажений. Для аудио, GBW > 1 МГц типично; для видео или высокоскоростных данных нужны гораздо более высокие значения.
• Входное сопротивление: Дифференциал и входное сопротивление в общем режиме op amp должны быть очень высокими (часто > 10⁹ Ω для типов FET-входов), чтобы избежать загрузки дифференциального источника.
• Выходное качение и шум: Оп усилитель должен иметь возможность качаться в пределах требуемого диапазона вывода при введении минимального шума. Низкошумные операционные усилители (например, < 10 нВ/√(Гц)) являются предпочтительными для сенсорных и аудио приложений.

Ключевые соображения дизайна

Помимо выбора усилителя op, несколько факторов уровня схемы определяют производительность преобразователя.

Соответствие резистора и ошибка получения

Классический разностный усилитель (показан в следующем разделе) опирается на четыре сопоставленных резистора. На практике несоответствие в соотношении резисторов непосредственно ухудшает CMRR и вводит ошибку усиления. На каждый 1% несоответствие в соотношении резисторов CMRR схемы может упасть примерно на 40 дБ. Используйте прецизионные резисторы с допусками 0,1% или лучше, или реализуйте кастрюлю отделки для критических применений. Для окончательного соответствия рассмотрим однокомпонентную сеть резисторов (например, прецизионные тонкопленочные резисторы).

Common-Mode Input Range

Оп-ампер должен работать в пределах заданного диапазона входного напряжения общего режима. Если входное напряжение общего режима превышает этот диапазон, внутренняя входная стадия насыщается, и усилитель больше не функционирует правильно. Выберите операционные усилители с возможностью входа рельса-рельса, если ваши сигналы качаются вблизи рельсов питания.

Стабильность и компенсация

Сеть обратной связи создает петлю, которая должна оставаться стабильной. Беглая емкость на инвертируемом входе или на выходе может вводить фазовое отставание и вызывать колебания. Поместите небольшой конденсатор обратной связи (несколько пикофарад) параллельно с резистором обратной связи для повышения устойчивости при необходимости. Для высокоскоростных конструкций используйте операционные усилители с достаточным запасом фаз и минимизируйте макет паразитов.

Одноместная операция

Многие современные системы используют один положительный источник питания (например, 5 В или 3,3 В). В таких случаях дифференциальный вход может быть центрирован вокруг некоторого напряжения смещения средней рельсы, и выход также должен быть смещен до эталонного (часто V_{] REF} = V_S/2). Это требует дополнительных смещающих резисторов и, возможно, схемы соединения переменного тока, если сигнал не имеет компонента постоянного тока. Использование выходного усилителя рельса-рельса упрощает это.

Типичная конфигурация окружности

Усилитель основных различий

Наиболее простым активным преобразователем является классический усилитель разности один-op-amp:

• Неинвертирующий вход (+) принимает одну дифференциальную линию (V_]IN+) через резистор R1, с резистором R2 от этого входа к земле (или к напряжению смещения).
• Инвертирующий вход (−) принимает другую дифференциальную линию (V_IN−) через резистор R3, с резистором обратной связи R4 от вывода к инвертируемому входу.
• Выходное напряжение (V_OUT) = (V_IN+ − V_IN−) × (R2/(R1+R2)) × (1+R4/R3) — при соотношении резисторов (R1/R2 = R3/R4) и R3 и R4 определяют коэффициент усиления.

Для простоты и лучшего CMRR выберите R1 = R3 и R2 = R4. Прирост затем становится G = R2/R1. Входное импеданс не симметричен: для V_IN+ он приблизительно R1 + R2, а для V_IN− он равен R3. Эта асимметрия может загружать источник неравномерно. Для сбалансированной нагрузки, увеличения значений резистора или использования усилителя приборов (обсуждается ниже).

Измерительный усилитель Альтернатива

Когда балансовое высокое входное сопротивление является критическим (например, от тензодатчиков или электродов ЭКГ), трехоперационный измерительный усилитель (INA) является превосходным выбором. Он предлагает чрезвычайно высокое и симметричное дифференциальное входное сопротивление, высокую CMRR и коэффициент усиления, установленный одним внешним резистором. Доступно множество интегрированных INA (например, AD620, INA128). Для дискретной конструкции два операционных усилителя буферизируют дифференциальные входы перед подачей третьего операционного усилителя, сконфигурированного как разностный усилитель. Эта топология предпочтительна для точных применений.

Руководящие принципы выбора компонентов

резисторы

• Толерантность: 0,1% или лучше для получения точности и высокой CMRR.
• Коэффициент температуры (темпко): Сопоставлен с темпко (например, ±10 ppm/°C) для поддержания отношения к температуре.
• Рейтинг мощности: Убедитесь, что резисторы могут выдерживать максимальное напряжение на них без превышения номинальной мощности. Используйте 1/4 Вт или выше для типичных конструкций.
• Тип: Тонкие пленки или металлопленочные резисторы обеспечивают низкий уровень шума и хорошую стабильность.

Оперативный усилитель

• Тип ввода: Амперы FET-входа (например, TL072, OPA1642) обеспечивают очень высокое импеданс ввода. Типы биполярного ввода (например, NE5532) обеспечивают более низкий уровень шума, но более низкое импеданс.
• Диапазон поставки: Выберите усилитель оптики, который может работать с имеющихся у вас рельсов питания. Для одного питания выберите тип вывода рельс-рельс (RRO).
• Стоимость и скорость разведения: В качестве ориентира, GBW должен быть по меньшей мере в 10 раз больше максимальной частоты сигнала для поддержания низкого фазового сдвига. Скорость разведения должна превышать 2π×V_пик×f_max.
• Шум: Для сигналов низкого уровня выберите усилитель с ультранизким шумом (например, < 5 нВ/√(Гц)).

Пример дизайна с расчетами

Давайте разработаем дифференциально-одноконтурный преобразователь с коэффициентом усиления 1 (единство) для аудиосигнала, который дифференциально качается ± 2,5 В, с напряжением общего режима 2,5 В. Система использует один источник питания 5 В. Мы выбираем общий усилитель линейной связи (например, MCP6002) с ГБВ = 1 МГц, адекватный для аудио до 20 кГц.

Шаг 1 — Выберите значения резистора:

Входное напряжение общего режима составляет 2,5 В, что находится в пределах диапазона от 0 до 5 В_{, выходной качель = VDIFFCM, но осторожно: в разностном усилителе с одним подачей выход должен быть смещён.REF.[VREF=]IN+IN−IN−}IN−IN−[[F