在許多實(shí)際應(yīng)用中，如電機(jī)控制或高壓測(cè)量系統(tǒng)，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）需要處理微弱的差分信號(hào)，同時(shí)面對(duì)較大的共模電壓。傳統(tǒng)儀表放大器由于其單端輸出和有限的共模范圍，在這類應(yīng)用場(chǎng)景中并不適用。然而，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，可以將單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出，并擴(kuò)展輸入共模范圍，使得低成本的儀表放大器也能滿足這些需求。

設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)

圖1展示了一個(gè)精密系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)允許用戶在存在高共模電壓的情況下準(zhǔn)確地測(cè)量差分信號(hào)。此電路由三個(gè)主要部分組成：輸入緩沖器、ADC驅(qū)動(dòng)器和基準(zhǔn)電壓源。其中，緩沖器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)儀表放大器的參考引腳，并將單端輸出轉(zhuǎn)換成差分輸出。這一設(shè)計(jì)顯著提高了輸入共模電壓范圍，能夠處理高達(dá)±270V的共模電壓（使用±15V電源），極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

圖1

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差分輸出計(jì)算公式

這種配置確保了直流差分精度主要取決于AD629差動(dòng)放大器和AD8421儀表放大器的質(zhì)量，而非運(yùn)算放大器或外部電阻匹配，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并提高了可靠性。

關(guān)鍵組件選擇與注意事項(xiàng)

為了獲得最佳交流性能，建議選用具有高帶寬和高壓擺率的運(yùn)算放大器，例如ADA4807。需要注意的是，為了避免寄生電容導(dǎo)致不穩(wěn)定，連接至反相輸入端的走線應(yīng)盡可能短。如果必須延長(zhǎng)走線，則應(yīng)選擇阻值較低的電阻來(lái)減少影響。

此外，高性能ADC通常采用5V單電源供電，并自帶基準(zhǔn)電壓源，這不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，還減少了對(duì)額外基準(zhǔn)電壓的需求，進(jìn)一步降低了成本和復(fù)雜度。

性能驗(yàn)證與優(yōu)勢(shì)分析

根據(jù)圖2所示的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)兩個(gè)儀表放大器增益均為1時(shí)，輸入信號(hào)$V_{IN}$VIN是一個(gè)疊加在大共模電壓上的1Vpp 10kHz正弦波。最終得到的差分輸出電壓$V_{OUT\mathrm{\_}diff}$VOUT_diff為1Vpp，成功消除了共模干擾。實(shí)驗(yàn)表明，相較于使用分立元件構(gòu)建的傳統(tǒng)儀表放大器，本方案中的集成儀表放大器憑借內(nèi)部精密激光微調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)了更高的共模抑制比（CMR），達(dá)到了80dB以上。

圖2. 電路的性能：

頂部：兩個(gè)互補(bǔ)輸出

中間：帶有大共模信號(hào)的輸入電壓

底部：差分輸出

節(jié)能與效率

此電路特別適合功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)景，總靜態(tài)電流僅為5mA，采用5V雙電源供電時(shí)，整體功耗約為50mW，相比其他基于基本ADC驅(qū)動(dòng)器的解決方案節(jié)省了大約50%的能耗。

總之，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，我們可以利用低成本儀表放大器構(gòu)建出適用于高共模電壓環(huán)境下的高性能差分信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，既保證了精度又兼顧了經(jīng)濟(jì)性和能效。這對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，提供了一種高效且可行的方法來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工業(yè)級(jí)信號(hào)處理挑戰(zhàn)。