發(fā)掘絕對(duì)值電路更多價(jià)值――利用差動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能絕對(duì)值電路

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。

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(lài)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。

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。可在高達(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。

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。

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。

作者

Moshe Gerstenhaber現(xiàn)為ADI公司研究員(Fellow)。他于1978年加入ADI，數(shù)年間先后擔(dān)任過(guò)制造、產(chǎn)品工程及設(shè)計(jì)方面的多種高級(jí)職務(wù)。Moshe目前是集成放大器產(chǎn)品部門(mén)的設(shè)計(jì)經(jīng)理。他在放大器設(shè)計(jì)領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)，特別是極高精度專(zhuān)用放大器，如儀表放大器和差動(dòng)放大器等。

Reem Malik 是馬薩諸塞州威明頓市集成放大器產(chǎn)品(IAP)部門(mén)的一名應(yīng)用工程師。她為儀器儀表、工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域的顧客提供支持，并負(fù)責(zé)熱電偶放大器和精密差動(dòng)/差分放大器產(chǎn)品。Reem擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)和電氣工程碩士學(xué)位(MSEE)。她于2008年6月加入ADI公司。