Во многих приложениях, таких как управление современными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), передача сигналов через витую пару и согласование высокоточных аудио сигналов, необходима дифференциальная передача сигналов. Дифференциальная передача сигналов позволяет достичь более высоких значений отношения сигнал-шум благодаря применению больших сигналов для напряжений источника питания, повышению невосприимчивости к синфазным шумам и уменьшению искажений второй гармоники. Для обеспечения этих требований необходимо применять схему, которая позволяет преобразовать использующиеся во многих схемах сигналы несимметричной линии в дифференциальные.

На рисунке 1 изображен простой преобразователь несимметричной линии в дифференциальную, построенный на прецизионном разностном усилителе AD8476 компании Analog Devices с низким энергопотреблением и встроенными прецизионными резисторами. AD8476 имеет дифференциальное усиление, равное единице, таким образом передаточная функция выражается как

V_OUT,DIFF = V_OP — V_ON = V_IN.

Выходное синфазное напряжение, равное (V_OP + V_ON)/2, устанавливается напряжением на входе V_OCM. Если вход V_OCM не подключен к какому либо источнику напряжения, то выходное синфазное напряжение будет равно среднему арифметическому от напряжений питания благодаря встроенным резисторам на 1 МОм, которые образуют делитель напряжения. Конденсатор C1 фильтрует шум резисторов 1 МОм для уменьшения выходного шума синфазного напряжения. Ошибка усиления схемы составляет всего 0,04% благодаря лазерной подгонке встроенных резисторов, задающих усиление.

Рисунок 1. Простой преобразователь несимметричной линии в дифференциальную.

Для большинства приложений схема на рисунке 1 более чем адекватно осуществляет преобразование из несимметричной линии в дифференциальную. Для приложений, где необходимы лучшие характеристики, применяется представленная на рисунке 2 схема с очень высоким входным импедансом, максимальным током утечки 2 нА, напряжением смещения 60 мкВ максимум (RTI) и дрейфом смещения в 0,7 мкВ/^oC максимум. Такие высокие характеристики достигаются каскадным соединением прецизионного операционного усилителя (ОУ) OP1177 с AD8476 и обратной связью от положительного выхода напряжения AD8476 к инвертирующему входу ОУ. Такая организация обратной связи позволяет ОУ определять точность и шумовые характеристики этой схемы, т. к. AD8476 охвачен петлей обратной связи, где ОУ с большим коэффициентом усиления разомкнутой цепи предшествует ему. В результате, ошибки AD8476, включая шум, искажения, смещение и дрейф смещения, уменьшаются на величину большого усиления по отношению к входу.

Рисунок 2. Улучшенный преобразователь несимметричной линии в дифференциальную.

Схема на рисунке 2 описывается следующими выражениями:

Выражение 3 демонстрирует два важных свойства схемы. Первое, усиление схемы преобразователя несимметричной линии в дифференциальную равно двум. Второе, V_REF служит опорой для входного сигнала. Из второго свойства следует, что V_REF может использоваться для компенсации смещения входного сигнала. Например, если входной сигнал имеет смещение, равное 1 В, то подача напряжения 1 В на вход V_REF компенсирует его.

При необходимости усиления большего, чем два, схему на рисунке 2 можно модифицировать. Итоговая схема изображена на рисунке 3. В этом случае усиление схемы преобразователя несимметричного сигнала в дифференциальный определяется внешними резисторами R_F и R_G как:

Рисунок 3. Улучшенный преобразователь несимметричной линии в дифференциальную с переменным коэффициентом усиления

Также как и в схеме на рисунке 2, улучшенный преобразователь несимметричной линии в дифференциальную ослабляет влияние ошибок дифференциального усилителя благодаря включению в цепь обратной связи ОУ. При организации цепи обратной связи необходимо заботиться о стабильности системы. Обратимся к рисунку 2. Каскад из OP1177 и AD8476 формирует составной ОУ с дифференциальным выходом, который имеет коэффициент усиления разомкнутой цепи в зависимости от частоты, определяемый коэффициентом усиления разомкнутой цепи OP1177 и коэффициентом усиления замкнутой цепи AD8476. Таким образом, в коэффициент усиления разомкнутой цепи OP1177 добавляется полюс от полосы замкнутой обратной связи AD8476. Для обеспечения стабильности полоса AD8476 должна быть выше, чем частота единичного усиления OP1177. Это требование смягчается, если применять схему, показанную на рисунке 3, т. к. резистивный делитель в обратной связи снижает частоту единичного усиления OP1177 в (R_G+R_F)/R_G раз. При полосе AD8476 в 5 МГц и частоте единичного усиления OP1177 в 1 МГц, схема обеспечивает достаточную стабильность. На рисунке 4 изображен снимок с экрана осциллографа входного и выходного сигналов схемы, представленной на рисунке 2. На вход подана синусоида частотой 10 кГц и размахом 1 В. Для простоты вход V_REF был подключен к земле.

Рисунок 4. Входной и выходной сигналы схемы, представленной на рисунке 2, при подаче на вход синусоиды частотой 10 кГц и размахом 1 В.

При использовании ОУ, чья частота единичного усиления намного больше, чем полоса дифференциального усилителя, необходимо параллельно с резистором R_F подключить конденсатор C_F, ограничивающий полосу. Конденсатор C_F вместе с резистором R_F образует интегратор, полоса которого для схемы определяется как:

Коэффициент равный ½ в выражении для полосы пропускания возникает из-за того, что выход схемы становится несимметричной обратной связью, а не дифференциальной. В результате, коэффициент обратной связи схемы и полоса пропускания снижается в 2 раза.

При полосе пропускания меньшей, чем полоса замкнутой цепи дифференциального усилителя, схема вновь становится стабильной. Метод ограничения полосы может использоваться совместно с усилением, путем установки R_G в разомкнутую цепь.

Авторы: Сандро Херрейра, sandro.herrera@analog.com, Моше Герстэнхабер, moshe.gerstenhaber@analog.com