全差分放大器在高速信号处理中使用很广,本篇将介绍全差分放大器与通用放大器的区别,以及通过LTspice仿真全差分放大器工作方式,重点讨论全差分放大器电路的输入端配置设计,并推荐一款软件解决设计痛点,高效实现全差分放大器输入端配置与噪声评估。
1 全差分放大器特点与仿真
如图3．31(a),通用放大器具有一组差分输入端(正输入、负输入),一个以系统地为参考的输出端,以及两个电源输入端,连接到供电系统,电源端通常在电路符号中隐藏。
如图3．31(b),全差分放大器不同点在于增加第二个输出端,形成差分输出的操作方式。增加输出共模电压参考端,方便配置输出信号的偏置电压范围。
图3．31 通用放大器与全差分放大器符号
全差分放大工作电路如图3．32,每个输出端使用一个反馈电阻Rf,构建2组反馈回路。每个输入端使用一个Rg作为差分输入电阻,在电路工作过程中与通用放大电路相比,具有以下特点:
图3．32 全差分放大器工作电路
(1)全差分放大电路增益为Rf与Rg的比值。
(2)全差分放大器的输入端电压(Vin+,Vin-)相互跟随。
(3)全差分放大器的输出范围扩展一倍。
(4)全差分放大器两个输出端(Vout+,Vout-)的交流信号频率相同,幅值相等,相位相差180°,所以输出信号的偶次谐波可以抵消,降低输出信号失真。
(5)全差分放大器两个输出端直流信号的平均值近似等于Vocm,但不是绝对相等。二者之间存在的差值定义为输出共模失调电压Vos,CM。如图3．33,在25℃环境中,供电电压为10V时,ADA4945的输出共模失调电压典型值为±5mV,最大值为±60mV。
(6)为评估全差分放大器的输出差分信号的幅度匹配,相位偏离180°的程度。引入平衡的概念,等于输出共模电压值除以输出差模电压值,如式3-13。
图3．33 ADA4945的Vocm特性
如图3．34,为ADA4945全差分放大器的信号调理电路,工作电源为±5V,输出共模电压设置为2．5V,两组输入信号的共模电压为1V,差模信号幅值为±50mV,电阻误差为1%。
图3．34 ADA4945工作电路
仿真结果如图3．35,信号源V(in+),V(in-)分别提供具有1V直流偏置,峰峰值为100mV 相位相差180°,频率为20KHz的正弦波。ADA4945输出信号V(vop),V(von)分别是以接近输出共模电压Vocm为共模信号,峰峰值为100mV,相位相差180°,频率为20KHz的正弦波。输出信号V(vop),V(von)的共模信号与所配置的输出共模电压Vocm之间存在输出共模失调电压为46．67mV。ADA4945的两个输入引脚电压紧密跟随电压V(vip)、V(vin)之差为0V。ADA4945输出的差模信号是峰峰值为200mV,频率为20KHz的正弦波。
图3．35 ADA4945工作仿真结果
