發掘絕對值電路更多價值——利用差動放大器實現低功耗、高性能絕對值電路
發布時間：2016-10-31 14:05
發布者：eechina
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作者：Moshe Gerstenhaber 和 Reem Malik 傳統上，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算放大器、快速二極管和精密電阻。元件數量繁多致使這種解決方案成本很高，而且無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放大器—不需任何外部元件來提供精密絕對值輸出。這種創新方案可以比傳統方案實現更高精度、更低成本和功耗。 如圖1所示，差動放大器1 包括一個運算放大器和四個電阻，它們配置成一個減法器。低成本單芯片差動放大器內置激光晶圓調整電阻，提供極高增益精度、低失調、低失調漂移、高共模抑制以及比分立替代器件更出色的整體性能。 
圖1. 差動放大器 傳統絕對值電路 圖2所示為常用全波整流器電路示意圖。這種設計依賴兩個快速運算放大器和五個精密電阻來獲得高性能。當輸入信號為正時，A1的輸出為負，所以D1反向偏置。D2正向偏置，從而關閉A1附近經過R2的反饋環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的輸入信號相加，得到凈增益+1。當輸入信號為負時，D1正向偏置，從而關閉A1附近的反饋環路。D2反向偏置，故不導通。A2將輸入信號反相，產生正輸出。因而，A2的輸出為正電壓，表示正負輸入的絕對值。
圖2. 標準全波整流器2, 3 這種設計有幾個固有的性能和系統缺點，如成本、交越失真、增益誤差及噪聲等。該設計要求雙電源和許多高性能元件，進一步提高了成本和復雜度。由于輸入信號跨越0 V + ΔV和0 V – ∆V，A1的輸出必須在–VBE 至 +VBE之間擺動，所以響應時間可能較長。高速運算放大器和二極管可以幫助減輕這個問題，不過代價是更高的功耗。絕對值輸出的增益精度取決于R1、R2、R3、R4和R5的匹配程度。甚至一個電阻的小量失配，也會造成正負絕對值峰值之間的巨大誤差。整體噪聲增益為6，放大了運算放大器噪聲、失調和漂移效應。 改進的絕對值電路 圖3所示為更簡單、更有效的絕對值電路，只需一個AD82774雙通道差動放大器和一個正電源。當輸入信號為正時，A1充當電壓跟隨器。A2兩個輸入端的電位與輸入信號相同，所以A2只是將正信號傳遞到輸出端。當輸入信號為負時，A1輸出端處于0 V，而A2 反轉輸入信號。最終獲得輸入信號絕對值�？稍诟哌_10 kHz的頻率下對高達±10 V的信號進行整流。如果要整流的信號非常微弱，在每個運算放大器輸出端放置一個下拉電阻可以提高0 V附近的電路性能。
圖3. 利用AD8277的單電源絕對值電路 這個電路看似簡單，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。和大多數單電源供電應用不同，該差動放大器的輸入可在0 V 以下驅動。這允許A1的輸入端在接受負輸入信號的同時，保持0V輸出。輸入端集成ESD二極管，過壓保護能力更魯棒。圖4所示為1 kHz 20 V p-p輸入信號的輸入和輸出波形及特性。
圖4. (a) 1 kHz 20 -V p-p輸入信號的輸入和輸出(b) 輸入與輸出特性曲線 這個改進的絕對值電路克服了傳統整流器設計的諸多缺陷，其價值超乎想象。其中最為突出的是減少了所需元件數：只需一個器件。取消了外部二極管，同時也消除了交越失真。激光晶圓調整電阻精確匹配，確保增益誤差低于0.02%。電路的噪聲增益只有2，噪聲、失調及漂移更低。由于采用2 V至36 V單電源供電，AD8277靜態電流低于400 μA。 結論 采用單個雙通道差動放大器構建的精密全波整流器在多個方面超越了傳統設計。其中最值得一提的是，取消了高性能外部元件和雙電源，成本和復雜程度均大幅降低。該差動放大器解決方案不存在交越恢復問題并經優化以在廣泛溫度范圍內獲得低漂移。采用AD8277，可利用單個IC實現低功耗、低成本、高精密絕對值電路。 參考電路 1http://www.analog.com/en/product ... ce-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/product ... ifiers/ad8277.html. 作者 Moshe Gerstenhaber現為ADI公司研究員（Fellow）。他于1978年加入ADI，數年間先后擔任過制造、產品工程及設計方面的多種高級職務。Moshe目前是集成放大器產品部門的設計經理。他在放大器設計領域做出了重大貢獻，特別是極高精度專用放大器，如儀表放大器和差動放大器等。 Reem Malik 是馬薩諸塞州威明頓市集成放大器產品（IAP）部門的一名應用工程師。她為儀器儀表、工業及醫療領域的顧客提供支持，并負責熱電偶放大器和精密差動/差分放大器產品。Reem擁有伍斯特理工學院電氣工程學士學位(BSEE)和電氣工程碩士學位(MSEE)。她于2008年6月加入ADI公司。 |
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