采用全差分放大器的差分输入至差分输出电路

最新推荐文章于 2025-02-18 14:52:02 发布

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分类专栏：基础电路设计文章标签：差分运放全差分运放差分输入差分输出

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1 简介

该设计将全差分放大器 (FDA) 用作差分输入至差分输出放大器。

2 设计目标

2.1 差分输入

$1V_{pp}$

2.2 差分输出

$16V_{pp}$

2.3 电源

$V_{cc}=10V$
$V_{ee}=0V$

2.4 输出共模

$5V$

2.5 3dB带宽

$3MHz$

2.6 交流增益

$16\frac{V}{V}$

3 电路设计

根据设计目标，最终设计的电路结构和参数如下图：

注意事项：

R2/R1 比例与 R4/R3 相同，可以设置放大器增益
对于给定的电源，FDA 的输出摆幅是单端放大器的两倍。这是因为全差分放大器会摆动输出的两个端子，而不是摆动一个端子并将另一个端子固定到接地或 Vref。因此，当 Vout+ 保持在负轨并且 Vout- 保持在正轨时，可实现 FDA 的最小电压；当 Vout+ 保持在正轨并且 Vout- 保持在负轨时，可实现最大电压
FDA 对于噪声敏感信号很有用，因为均匀地耦合到两个输入中的噪声不会放大，这与以接地为基准的单端信号情况一样
输出电压将以 Vocm 设置的输出共模电压为中心
两个反馈路径应在布局上保持对称

4 设计计算

设置 R2/R1 比例以选择交流电压增益。为了保持反馈路径平衡

$R_{1}=R_{3}=1k\Omega$

$R_{2}=R_{4}=R_{1}*G_{ac}=1k*16\frac{V}{V}=16k\Omega$

对于 Vs = 10V，在给定输出轨 9.8V 和 0.2V 的情况下，验证 16Vpp 是否处于针对 Vocm = 5V 提供的输出范围内

$AmpV_{IN+}=AmpV_{IN-}$

$V_{out+}-V_{ocm}=V_{ocm}-V_{out-}$

$V_{out}=V_{out+}-V_{out-}$

重新整理以求解边缘条件下的每个输出电压

$V_{out-}=2*V_{ocm}-V_{out+}$

$V_{out-}=V_{out+} - V_{ocm}$

$2*V_{out+}=2*V_{ocm}+V_{out}$

$V_{out+}=V_{ocm} + \frac{V_{out}}{2}$

$V_{out-}=V_{ocm} - \frac{V_{out}}{2}$

针对 Vout = +8V 和 Vocm = +5V 进行验证

$V_{out+}=5+ \frac{8}{2}=9V<9.8V$

$V_{out-}=5 - \frac{8}{2}=1V>0.2V$

针对 Vout = -8V 和 Vocm = +5V 进行验证

$V_{out+}=5+ \frac{-8}{2}=1V>0.2V$

$V_{out-}=5 - \frac{-8}{2}=9V<9.8V$

当输出范围为 1V 至 9V 时，使用放大器的输入共模电压范围和反馈电阻分压器来确定信号输入范围。由于对称性，只需进行一侧的计算

$M_{in}(AmpV_{IN+})=M_{in}(AmpV_{IN-})=V_{ee}-0.1V= -0.1V$

$M_{ax}(AmpV_{IN+})=M_{ax}(AmpV_{IN-})=V_{cc}-0.1V= 8.9V$

$\frac{A_{mp}V_{IN-}-V_{IN-}}{R_{1}}=\frac{V_{OUT+} -A_{mp}V_{IN-}}{R_{2}}$

$V_{IN-}=A_{mp}V_{IN-}-\frac{V_{OUT+}-A_{mp}V_{IN-}}{\frac{R_{2}}{R_{1}}}$

$Min(V_{IN-})=-0.1-\frac{9-(-0.1)}{16}=-0.65$

$Max(V_{IN-})=8.9+\frac{8.9-1}{16}=9.4$

5 电路仿真

时域仿真：

频域仿真：

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