差分放大器AD813x常見問題解答 - 全文

問題：如何計算差分放大器電路的增益，如何分析差分放大器電路？

答案：如圖所示，差分放大電路分析的基本原則與普通運算放大器中虛斷虛短原則相同，同時還具有其特有的分析原則：

差分放大器電路分析圖

1．同向反向輸入端的電流為零，即虛斷原則。

2．同向反相輸入端的電壓相同，即虛短原則。

3．輸出的差分信號幅度相同，相位相差180度，以Vocm共模電壓為中心對稱。

4．依照上述三個原則，差分信號的增益為 Gain＝R_F/R_G。

問題：為什么電路的輸出不正確？

答案：對于差分放大器的應用來講，要得到正確的輸出，必須要注意以下幾點：

1．輸出信號的擺幅必須在數據手冊指定的范圍內。以AD8137為例，在單電源5V的情況下，Vout-與Vout+都必須在450mV～4.55V之內（見下表）

2．輸入端信號的范圍必須在數據手冊指定的范圍之內。以AD8137為例，在單電源5V的情況下，+IN與-IN的電壓必須在1～4V之內。（見下表）

數據手冊單電源5V供電的芯片指標

在你的電路中，一定要先進行分析計算，檢查輸出端電壓和輸入端共模信號的范圍是否在數據手冊指定范圍之內（請注意電源電壓的條件）。對于單電源供電的情況，更容易出現問題。下面我們以AD8137舉例說明怎樣判斷電路是否能夠正常工作？

AD8137雙電源供電放大電路

如圖，這是AD8137在+/-5V電源供電情況下的一個放大電路。輸入是一個8Vpp的信號。按照虛短、虛斷的原則，根據2.1的分析，差分信號增益是1，即，差分輸出每一端的擺幅都是+/-2V，但相位相差180度。由于Vocm加入了2.5V的共模電壓，因此得到Voutp和Voutn的電壓為2.5V+/-2.0 V和2.5V-/+2.0V，即0.5V～4.5V的范圍內。這個信號范圍符合數據手冊+/-5V電源供電情況下的指標（－4.55V~+4.55V）。

然后我們計算輸入端的共模電壓，按照虛短、虛斷的原則，Vinn的電壓是Voutp在兩個1K ohm電阻上面的中點分壓，即得到如圖紅色所示的共模電壓為Vinn=1.25V+/-1.0V，即0.25V~2.25V，這也符合+/-5V供電下數據手冊對輸入共模電壓的要求（－4V～＋4V）。所以此電路滿足要求，會正確工作。下圖是各點的波形。

AD8137雙電源供電電路各點波形

但是，如果上面的電路改為單電源5V供電，電路就會有問題。如下圖所示，

AD8137單電源供電電路

所有的分析都同雙電源供電相同，我們會發現輸出電壓的范圍0.5V～4.5V符合數據手冊在單電源＋5V供電情況下的指標450mV～4.55V，但是輸入端共模電壓的范圍0.25V~2.25V卻超出了數據手冊的要求（1～4V）。所以，在這種情況下，得到的輸出如下圖，信號已經發生失真。

AD8137單電源供電情況下錯誤的輸出

在這種情況下，可以試著調節Vocm端的值（請注意，Vocm端加入的電壓范圍也有要求，請參見數據手冊），或者改變電路增益，或者減小輸入信號的幅值，使輸入端和輸出端的范圍都滿足要求。

前面的情況是輸入信號中不含直流共模成分，當輸入信號含有直流偏置時，也要注意輸入端和輸出端的電壓范圍。下面是一個例子。

AAD8137 輸入信號偏置在1V DC的電路

如上圖所示，此圖的區別在于輸入信號有一個1V的直流偏置。這樣我們以同樣的方法分析電路，這個1V的輸入會在兩個輸出端各加入0.5V的直流正負偏置。得到如圖所示的輸入端的電壓和輸出端的電壓值，我們看到此時Voutp端的電壓1V～5V已經超出了規定的－4.55V~+4.55V范圍。所以得到的結果如下圖所示

AD8137輸入加入1V DC偏置的錯誤結果

解決的方法是可以使用交流耦合，如下圖

使用交流耦合的AD8137放大電路

這樣，輸入端和輸出端的范圍都正確了。結果如下圖所示

采用交流耦合后正確的結果

所以在使用AD813x時，一定要先計算各點的電壓，然后與數據手冊上相同供電電源電壓條件下的指標相比較，確定電路是否工作正常。另外一個電路檢查的方法是使用ADI網站上提供的SPICE模型進行仿真，這樣更加直觀。同時ADI網站上還提供了在線的AD813X差分放大器輔助計算工具，可以幫你檢查電路的正確性。

這個工具的鏈接是 http://www.analog.com/zh/amplifiers-and-comparators/differential-amplifiers/AD8138/products/product.html

問題：單端輸入時的端接問題？

答案：在高速應用中，有必要對差分放大器進行端接。如下圖所示，信號源阻抗為50Ω，峰峰值為2V，我們希望輸出為1V。