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利用差動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能絕對(duì)值電路

發(fā)布時(shí)間:2020-01-16 來(lái)源:Moshe Gerstenhaber 和 Reem Malik 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)上,精密半波和全波整流器均采用精心挑選的元件,這些元件包括高速運(yùn)算放大器、快速二極管和精密電阻。元件數(shù)量繁多致使這種解決方案成本很高,而且無(wú)法擺脫元件間交越失真、溫度漂移變化的困擾。
 
本文介紹了如何配置雙通道差動(dòng)放大器—不需任何外部元件來(lái)提供精密絕對(duì)值輸出。這種創(chuàng)新方案可以比傳統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)更高精度、更低成本和功耗。
 
如圖1所示,差動(dòng)放大器1 包括一個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)電阻,它們配置成一個(gè)減法器。低成本單芯片差動(dòng)放大器內(nèi)置激光晶圓調(diào)整電阻,提供極高增益精度、低失調(diào)、低失調(diào)漂移、高共模抑制以及比分立替代器件更出色的整體性能。
 
http://www.gpag.cn/art/artinfo/id/80037515
圖1. 差動(dòng)放大器
 
傳統(tǒng)絕對(duì)值電路
 
圖2所示為常用全波整流器電路示意圖。這種設(shè)計(jì)依賴兩個(gè)快速運(yùn)算放大器和五個(gè)精密電阻來(lái)獲得高性能。當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí),A1的輸出為負(fù),所以D1反向偏置。D2正向偏置,從而關(guān)閉A1附近經(jīng)過(guò)R2的反饋環(huán)路并形成反相放大器。A2將乘以增益-2的A1輸出和乘以增益-1的輸入信號(hào)相加,得到凈增益+1。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí),D1正向偏置,從而關(guān)閉A1附近的反饋環(huán)路。D2反向偏置,故不導(dǎo)通。A2將輸入信號(hào)反相,產(chǎn)生正輸出。因而,A2的輸出為正電壓,表示正負(fù)輸入的絕對(duì)值。
 
http://www.gpag.cn/art/artinfo/id/80037515
圖2. 標(biāo)準(zhǔn)全波整流器2, 3
 
這種設(shè)計(jì)有幾個(gè)固有的性能和系統(tǒng)缺點(diǎn),如成本、交越失真、增益誤差及噪聲等。該設(shè)計(jì)要求雙電源和許多高性能元件,進(jìn)一步提高了成本和復(fù)雜度。由于輸入信號(hào)跨越0 V + ΔV和0 V – ?V,A1的輸出必須在–VBE 至 +VBE之間擺動(dòng),所以響應(yīng)時(shí)間可能較長(zhǎng)。高速運(yùn)算放大器和二極管可以幫助減輕這個(gè)問(wèn)題,不過(guò)代價(jià)是更高的功耗。絕對(duì)值輸出的增益精度取決于R1、R2、R3、R4和R5的匹配程度。甚至一個(gè)電阻的小量失配,也會(huì)造成正負(fù)絕對(duì)值峰值之間的巨大誤差。整體噪聲增益為6,放大了運(yùn)算放大器噪聲、失調(diào)和漂移效應(yīng)。
 
改進(jìn)的絕對(duì)值電路
 
圖3所示為更簡(jiǎn)單、更有效的絕對(duì)值電路,只需一個(gè)AD82774雙通道差動(dòng)放大器和一個(gè)正電源。當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí),A1充當(dāng)電壓跟隨器。A2兩個(gè)輸入端的電位與輸入信號(hào)相同,所以A2只是將正信號(hào)傳遞到輸出端。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí),A1輸出端處于0 V,而A2 反轉(zhuǎn)輸入信號(hào)。最終獲得輸入信號(hào)絕對(duì)值??稍诟哌_(dá)10 kHz的頻率下對(duì)高達(dá)±10 V的信號(hào)進(jìn)行整流。如果要整流的信號(hào)非常微弱,在每個(gè)運(yùn)算放大器輸出端放置一個(gè)下拉電阻可以提高0 V附近的電路性能。
 
http://www.gpag.cn/art/artinfo/id/80037515
圖3. 利用AD8277的單電源絕對(duì)值電路
 
這個(gè)電路看似簡(jiǎn)單,但功能可行,這完全得益于AD8277出色的輸入輸出特性以及單電源工作能力。和大多數(shù)單電源供電應(yīng)用不同,該差動(dòng)放大器的輸入可在0 V 以下驅(qū)動(dòng)。這允許A1的輸入端在接受負(fù)輸入信號(hào)的同時(shí),保持0V輸出。輸入端集成ESD二極管,過(guò)壓保護(hù)能力更魯棒。圖4所示為1 kHz 20 V p-p輸入信號(hào)的輸入和輸出波形及特性。
 
http://www.gpag.cn/art/artinfo/id/80037515
圖4. (a) 1 kHz 20 -V p-p輸入信號(hào)的輸入和輸出(b) 輸入與輸出特性曲線
 
這個(gè)改進(jìn)的絕對(duì)值電路克服了傳統(tǒng)整流器設(shè)計(jì)的諸多缺陷,其價(jià)值超乎想象。其中最為突出的是減少了所需元件數(shù):只需一個(gè)器件。取消了外部二極管,同時(shí)也消除了交越失真。激光晶圓調(diào)整電阻精確匹配,確保增益誤差低于0.02%。電路的噪聲增益只有2,噪聲、失調(diào)及漂移更低。由于采用2 V至36 V單電源供電,AD8277靜態(tài)電流低于400 μA。
 
結(jié)論
 
采用單個(gè)雙通道差動(dòng)放大器構(gòu)建的精密全波整流器在多個(gè)方面超越了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中最值得一提的是,取消了高性能外部元件和雙電源,成本和復(fù)雜程度均大幅降低。該差動(dòng)放大器解決方案不存在交越恢復(fù)問(wèn)題并經(jīng)優(yōu)化以在廣泛溫度范圍內(nèi)獲得低漂移。采用AD8277,可利用單個(gè)IC實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、高精密絕對(duì)值電路。
 
 
參考電路
 
1http://www.analog.com/en/products/amplifiers/specialty-amplifiers/difference-amplifiers.html.
 
2http://sound.westhost.com/appnotes/an001.htm.
 
3Sedra, A.S. and K.C. Smith. Microelectronics Circuits. 4th ed. New York: Oxford University Press. 1998.
 
4http://www.analog.com/en/products/amplifiers/specialty-amplifiers/difference-amplifiers/ad8277.html.
 
 
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