一種前置差分放大器輸入範圍擴展方法及前置差分放大器的製作方法

2023-04-25 05:10:21 2

專利名稱：一種前置差分放大器輸入範圍擴展方法及前置差分放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及高阻抗差分輸入前置緩沖放大器，具體的講是一種前置差分 放大器輸入範圍擴展方法及前置差分放大器。
背景技術：
通常高精度E-J單電源模-數轉換器U/D器件)採用平衡輸入方式， 內部設置有高阻抗的緩衝器的儀表放大器類型的可編程增益放大器(PGA)將 差模信號進行放大和轉換，利用平衡輸入所具有的高共模抑制比作為AD系統 的前置放大器，以提高輸入的共才勤中制比，減小噪聲的影響。但是，A/D器件 由於通常只有5V單電源供電，輸入範圍校小，而通用電子測量儀器所測信號 的電壓及其源電阻範圍要寬得多，而且需要多種測量功能的切換和增益的衰 減，這就對前置放大器的輸入範圍和輸入阻抗提出了更高的要求。如圖l (a)所示，為單端輸入的高阻抗前置放大器，為了連接到單電源 供電的平4軒輸入的A/D晶片，必須將輸入信號的一端綁定到一個固定的電壓， 通常綁定A/D晶片輸入範圍(VAN)的中點電位Vw，這樣勢必由於L的電位被固 定，VOTT = VP - Vn只能愉出±1/2Van ;如圖l (b)所示，為差分輸入方式， 雖然有很好的共模抑制能力和滿幅的輸出範圍，V。UT = VP-VN = ±VAN，但是 由於有兩個輸入電阻R1和R2，使輸入阻抗不可能做得很大，這樣就限制了其 應用範圍。如採用通常的前置放大器的輸入方式將會受以下因素的限制(1) 由於採用差分輸入的AD晶片通常採用單電源供電，差分輸入的中點電 位需要抬高電壓輸入範圍的l/2才能有效利用輸入的動態範圍，如與單端信號連接時，需要將單端信號抬高才能連接，並且會損失輸入的動態範圍。(2) 如採用不平衡輸入方式，雖可獲得高輸入阻抗，但在這種方式下，放 大器的 一個輸入用作接地參考，兩輸入運放不能共同承擔對差才莫信號的放大，因而其有效輸入範圍比平衡輸入方式小l/2以上，同時不平衡輸入方式的放大 器和跟隨器，因其單端輸入方式對交流共模幹擾全無抑制作用，完全要依賴 模擬和數字濾波的方式消除，所以共模抑制性能也變差。(3)如採用平衡輸入方式，被測信號與放大器之間通常沒有公共端，要使 具有高輸入阻抗緩衝器正常工作，必須提供其輸入偏置電流的路徑，否則兩 輸入端懸浮，由於輸入電容上的電荷積累，最終將導致輸入運放超過共模範 圍而進入飽和狀態。因此，需在兩輸入端通過等值電阻接地以提供偏置電流 通路。這樣，其輸入阻抗將主要由兩偏置電阻決定，因而不可能很高。通用電子測量儀表的前端輸入緩衝放大器設計難點，首先在於對寬範圍 輸入信號的緩衝和共模幹擾的抑制。但受輸入範圍和輸入阻抗的限制，國內 外一些儀器產品不得不轉而採取兩組放大器並行輸入的方案，即由FET對管與 運放構成精密高阻抗放大器提供小信號放大，而由低偏置電流運放構成單端 跟隨器作大信號緩沖，通過輸出自舉方式為其自身提供隨輸入信號變化的工 作電源，從而獲得土 30V緩衝範圍。從電路結構看，兩組放大器並行輸入的方案的跟隨器需要通過輸出自舉 電路供電，並需提供一組約土40V高壓電源才能獲得土30V緩衝範圍，同時， 為保證小信號放大器性能和必要的動態範圍，其FET輸入電路也需要一套伺服電路為其提供與輸入信號關聯的主作電源，以動態地維持恰當的工作點。此 外，當大信號輸入時，為保護小信號放大器，必須切斷其輸入。這些，不僅 使電路變得十分複雜，成本大為提高，也使放大器速度性能下降。發明內容本發明提供一種前置差分放大器輸入範圍擴展方法及前置差分放大器， 用於將單端信號轉換為差分信號，特別是指通過輸出前饋的方式，形成一個 同1 /2差模信號反向浮動的偏壓，使輸入信號的中點電位保持在基準電平上， 將信號的零點電位進行變換，同時可以有效去除共模噪聲，並將放大器的輸
入範圍擴大。為了實現上述的發明目的，本發明的目的之一在於，提供一種前置差分放大器輸入範圍擴展方法，所述方法包括以下步驟輸入方式選擇步驟，用 於選擇平衡輸入方式或不平衡輸入方式作為差分放大器的輸入方式；輸出前 饋步驟，用於將前置差分放大器中的正向緩衝放大器的輸出經過反向後前饋 到反向輸入緩衝放大器的一輸入端，也就是將差模輸出的-1/2前饋到差分放 大器的反向輸入端。所述的輸入方式選擇步驟包括對於源電阻低的信號，選擇平衡輸入方 式；而對源電阻高的信號，採用不平衡輸入方式。所述的輸出前饋步驟包括將高阻抗緩衝放大器輸出的差模電壓的-1/2 前饋到另 一輸入緩沖放大器的反向輸入端。在反向放大的同時，加入一個直流偏置電壓，用來抬高平衡輸入的中點 電4立，實^見電4立平移。將經過緩沖放大後的信號輸入到 一衰減網絡進行衰減； 將衰減後的信號輸入到一單電源差分輸入的A/D晶片進行放大。 本發明的另一目的在於，提供一種前置差分放大器，該前置差分放大器 包括正向輸入緩沖放大器和反向輸入緩衝放大器；還包括輸出前饋網絡 和輸入方式選擇裝置；所述正向輸入緩衝放大器的輸出端與所述輸出前饋網 絡輸入端連接，所述輸出前饋網絡的輸出端與所述反向輸入緩衝放大器的反 向輸入端連接；其中，所述的輸入方式選擇裝置，用於選擇平衡輸入方式或 不平衡輸入方式作為差分放大器的輸入方式；所述的輸出前饋網絡，用於將 所述的正向輸入緩沖放大器的輸出經過反向後前饋到所述反向輸入緩沖放大 器的一輸入端。所述的輸入方式選擇裝置為一開關，如果為源電阻低的信號，所述開關 閉合以採用平衡輸入方式；如果為源電阻高的信號，所述開關斷開以採用不 平衡輸入方式。所述的輸出前饋網絡由一反相放大器和電阻連接構成；其中，對所述電 阻的阻值進行設定，用於將高阻抗的緩衝放大器輸出的差模電壓的-1/2前饋 到反向輸入緩衝放大器的反向輸入端。所述的輸出前饋網絡用於在反向放大的同時，加入一個直流偏置電壓， 用來抬高平衡輸入的中點電位，實現電位平移。所述的差分放大器還包括 一衰減網絡和一A/D晶片；所述正向緩衝放大 器的輸出端和所述反向緩衝放大器的輸出端分別與所述的衰減網絡連接，所 述的衰減網絡與所述的A/D晶片連接；其中，所述的衰減網絡，用於對經過緩 衝放大後的信號進行衰減；所述的A/D晶片，用於對衰減後的信號進行;改大、 模數轉換和輸出。本發明的有益效果在於，通過提供一種前置差分放大器輸入範圍擴展方 法及前置差分放大器，提供了前置差分放大器輸入範圍擴展方案，解決了不 平衡輸入的擴展問題。綜合平衡/不平衡輸入的優勢，實現大動態範圍的前 端放大器。


圖la為現有技術中單端輸入的高阻抗前置放大器電路圖； 圖lb為現有技術中差分輸入的前置放大器電路圖； 圖2為本發明的實施例2的電路圖； 圖3為本發明實施例3的電路圖。
具體實施方式
以下結合

本發明的具體實施方式
。 實施例l本發明提供了一種前置差分放大器輸入範圍擴展方法，該方法通過切換, 可以將前置差分放大器設置成平衡輸入方式和不平衡輸入方式。為電子測量 儀器的前端放大器設計提供一種寬輸入範圍與高阻抗的放大器解決方案。為 達此目的，將差分輸入的高阻抗緩沖器的一端輸出經過反向以後前饋到另一 端(其中一端可以為正也可以為負)，或者將高阻抗緩衝器輸出的差模電壓的-1/2前饋到反向輸入端。同時，在反向放大的同時還可以加入一個直流偏 置電壓，用來抬高平衡輸入的中點電位，實現電位平移。 實施例2本發明提供了一種前置差分放大器，該差分放大器通過切換，可以將前 置差分放大器設置成平衡輸入方式和不平衡輸入方式。為電子測量儀器的前 端放大器設計提供一種寬輸入範圍與高阻抗的放大器解決方案。為達此目的， 將差分輸入的高阻抗緩衝器的一端輸出經過反向以後前饋到另 一端(其中一 端可以為正也可以為負)，或者將高阻抗緩衝器輸出的差模電壓的-l/2前饋 到反向輸入端。同時，在反向放大的同時還可以加入一個直流偏置電壓，用 來抬高平衡輸入的中點電位，實現電位平移。如圖2所示，為本發明實施例l的電路形式Ul、 U2為輸入緩沖放大器， 採用CMOS或者是JFET結構高壓零漂移運放，在圖l的電路中，輸入緩沖器增益 為l。由輸出前饋放大器U3組成的輸出前饋網絡的連接形式如圖2所示。圖2 中是將U1輸出的電壓經U3反向後，通過R2前饋到反向放大端N。 U3承擔了電壓 平移的作用，將VP和VN的中點電位(VP+VN)/2提高到VREF。經過緩衝器後的信號，連接到一個衰減網絡，保證了大信號不超過A/D 晶片的電壓輸入範圍；通過衰減網絡的信號連接到一個單電源差分輸入的A/D 晶片，對於小信號，衰減網絡則直通，並且利用A/D晶片中的可編程i文大器PGA 進行放大，進一步提高小信號測量精度與解析度。由於信號在整個電路中沒 有專門的電壓平移電路，減小了電壓平移電路所造成的零漂和溫漂。如圖2 電路中的運放採用土15V電壓工作，可以保證有土12V線性輸入範圍，不論電 路處於平衡模式還是不平衡模式，電路的差分輸入範圍都可以達到土24V的輸 入範圍，也就是與前述的不平衡電路有大一倍的輸入範圍。電路中通過切換 開關K1轉換電路的平衡和不平衡模式，不平衡輸入時，理論上可達10GQ;平 衡輸入時，差模輸入電阻約20MQ。
實施例3如圖3所示，為本發明實施例3的電路形式Ul、 U2為輸入緩沖放大器， 採用CMOS或者是JFET結構高壓零漂移運放，在圖3的電路中，輸入緩沖器增益 為l。輸出前饋放大器U3的連接形式如圖3所示。圖3中是將經緩衝器輸出的差 模信號衰減G = - 1/2後反饋到U2的輸入端。在正常工作的情況下，圖2 和圖3這兩種連接方式反饋量是相同的，直流工作點也是相同，只是對共模噪 聲的抑制性能有所不同。同時，U3承擔了電壓平移的作用，將VP和VN的中點 電位(VP+VN)/2提高到VREF。經過緩衝器後的信號，連接到一個衰減網絡，保證了大信號不超過A/D 晶片的電壓輸入範圍；通過衰減網絡的信號連接到一個單電源差分輸入的A/D 晶片，對於小信號，衰減網絡則直通，並且利用A/D晶片中的可編程放大器PGA 進行放大，進一步提高小信號測量精度與解析度。由於信號在整個電路中沒 有專門的電壓平移電路，減小了電壓平移電路所造成的零漂和溫漂。如圖3 電路中的運放採用土15V電壓工作，可以保證有土12V線性輸入範圍，不論電 路處於平衡模式還是不平衡才莫式，電路的差分輸入範圍都可以達到± 24V的輸 入範圍，也就是與前述的不平衡電路有大一倍的輸入範圍。電路中通過切換 開關K1轉換電路的平衡和不平衡模式，不平衡輸入時，理論上可達10GQ;平 衡輸入時，差模輸入電阻約20MQ。從本發明的實施例可知，為發揮平衡輸入與不平衡輸入兩種輸入方式的 優勢，採取平衡/不平衡可選的輸入方式，即選擇高/低輸入阻抗。對於源 電阻不高的信號，選擇平衡輸入方式可獲得最佳精度；而對高源電阻的信號， 輸入偏置電阻對信號的分壓作用加大，它造成的誤差將對精度起決定性影響， 這時採用不平衡輸入方式能獲得較高精度。有必要指出，在不平衡方式下，前饋的信號為-1/2增益，對於負端為正 反饋，對於正端則為負反饋，只有當放大器總增益大於l,輸出前饋才可能造 成電路的不穩定。因此，電路在工作過程中處於一個穩定狀態。
通用電子測量儀表的前端輸入緩沖放大器設計難點，首先在於對寬範圍 輸入信號的緩沖和共模幹擾的抑制。本發明所提出的緩沖大器的形式，提共 了輸入範圍擴展方案，解決了不平衡輸入的擴展問題。這樣，以應用實例中 介紹的方式，就可綜合平衡/不平衡輸入的優勢，實現大動態範圍前端放大 器的解決方案。與並行輸入方案比較，本發明方案在平衡輸入方式下，其最佳測量精度 可覆蓋全部輸入範圍，對於大多數源電阻不很高的信號測量，明顯優於前者。 對於高源電阻的信號測量，放大器須採取不平衡輸入方式，這將導致其共模 抑制性能下降，但前者的放大器和跟隨器，因其單端輸入方式對交流共模幹 擾全無抑制作用，完全要依賴模擬和數字濾波的方式消除。從電路結構看，本發明為一元結構，電路簡單且不降低速度性能。與現 有技術相比，本發明的優越性是顯而易見的。以上分析與比較表明，前置差分放大器輸入範圍的擴展，不僅為電子測 量儀器的前端放大器設計提供了 一種新的選擇，由於不平衡輸入擴展問題的 解決，高、低輸入阻抗下的輸入範圍都能成倍擴大，還將進一步拓展儀表中 前置差分放大器的應用空間，具有很強的現實意義。以上具體實施方式
僅用於說明本發明，而非用於限定本發明。
權利要求
1.一種前置差分放大器輸入範圍擴展方法，所述方法包括以下步驟輸出前饋步驟，用於將前置差分放大器的輸出信號經反向以後前饋到反向輸入端；中點電位偏置步驟，將前置差分放大器差模輸出信號，加入一個基準電位，一同反饋到反向輸入端，使輸出的差模信號的中點電位獲得平移；輸入方式選擇步驟，用於選擇平衡輸入方式或不平衡輸入方式作為差分放大器的輸入方式。
7. 根據權利要求6所述的前置差分放大器，其特徵在於，所述的輸入方 式選擇裝置為一開關，如果為源電阻低的信號，所述開關閉合以採用平衡輸 入方式；如果為源電阻高的信號，所述開關斷開以採用不平衡輸入方式。
8. 根據權利要求6所述的前置差分放大器，其特徵在於，所述的輸出前 饋網絡由一反相放大器和電阻連接構成；其中，對所述電阻的阻值進行設定，用於將高阻抗的差分放大器輸出的差模電 壓的-1/2前饋到反向輸入緩沖放大器的反向輸入端。
9. 根據權利要求8所述的前置差分放大器，其特徵在於，所述的輸出前 饋網絡用於在反向l/2放大的同時，加入一個直流偏置電壓，用來抬高平衡輸 入的中點電位，實現電位平移。
10. 根據權利要求6至9任意一項所述的前置差分放大器，其特徵在於還 包括 一衰減網絡和一A/D晶片；所述正向緩沖放大器的輸出端和所述反向緩衝放大器的輸出端分別與所 述的衰減網絡連接，所述的衰減網絡與所述的A/D晶片連接；其中， 所述的衰減網絡，用於對經過緩衝放大後的信號進行衰減； 所述的A/D晶片，用於對衰減後的信號進行放大、模數轉換和輸出。
全文摘要
本發明為一種前置差分放大器輸入範圍擴展方法及前置差分放大器，包括同向輸入緩衝器、反向輸入緩衝器、前饋網絡、差分輸出中點電位偏置電路、輸入方式選擇。輸出前饋步驟及網絡，用於將差分輸入的前置放大器中的一個運放的輸出經過反向後前饋到另一輸入緩衝放大器的一輸入端或者將整個差分輸出信號的-1/2反饋到差分放大器的反向輸入端。本發明用於將單端信號轉換為差分信號，特別是指通過輸出前饋的方式，形成一個同1/2差模信號反向浮動的偏壓，使輸入信號的中點電位保持在基準電平上。而且這個基準電平可以加入一個偏置電壓，同時可以有效去除共模噪聲，並將放大器的輸入範圍擴大。
文檔編號H03M1/12GK101132168SQ200610112619
公開日2008年2月27日 申請日期2006年8月25日 優先權日2006年8月25日
發明者李維森, 悅 王, 王鐵軍 申請人:王 悅;王鐵軍;李維森