Un convertidor asimétrico a diferencial versátil, de baja potencia y de precisión

Muchas aplicaciones requieren señalización diferencial, incluidos los modernos convertidores de analógico a digital (ADC), la transmisión de señales a través de cables de par trenzado y el acondicionamiento de señales de audio de alta fidelidad, que proporcionan relaciones señal-ruido debido al uso para extraer más señales para un conjunto dado de voltajes de suministro, un aumento en la inmunidad al ruido de modo común y una menor distorsión del segundo armónico. Este requisito indica la necesidad de un bloque de circuitos capaz de convertir señales de un solo extremo, que se encuentran en la mayoría de las cadenas de señales, en señales diferenciales.

La Figura 1 muestra un convertidor simple de un solo extremo a diferencial que utiliza un amplificador diferencial de precisión completa (dif-amp) de baja potencia AD8476 con resistencias de precisión incorporadas. El amplificador diferencial está configurado internamente solo para ganancia diferencial, por lo que la función de transferencia del circuito es

VSALIDA, DIF = VCORREOS VDELANTERO = VEN.

El voltaje de salida de modo común, (VCORREOS + VDELANTERO)/2, está determinado por el voltaje en el Vdirector de marketing alfiler Si la Vdirector de marketing se permite que el pin flote, el voltaje de salida de modo común flotará hacia el suministro intermedio debido a que las resistencias internas de 1 MΩ forman un divisor de resistencia con los suministros. El condensador C1 filtra el ruido de una resistencia de 1 MΩ para reducir el ruido de salida de modo común. El error de ganancia del circuito es solo del 0,04 % como máximo debido a las resistencias internas de ajuste de ganancia ajustadas por láser del AD8476.

Figura 1. Un convertidor asimétrico a diferencial simple.

Para muchas aplicaciones, el circuito de la Figura 1 es más que adecuado para realizar la conversión de un solo extremo a diferencial. Para aplicaciones que requieren un rendimiento mejorado, la Figura 2 muestra un convertidor de un solo extremo a diferencial con una impedancia de entrada muy alta, una corriente de polarización de entrada máxima de 2 nA, una compensación máxima (RTI) de 60 µV y una corriente de compensación de 0,7 µV/ °C máximo. El circuito logra este nivel de rendimiento simulando un amplificador operacional de precisión OP1177 (op-amp) con el AD8476 y alimentando el voltaje de salida positivo del AD8476 a la entrada inversora del amplificador operacional. Esta disposición de retroalimentación permite que el antiamplificador determine la precisión y el rendimiento de ruido de la disposición, ya que conecta el atenuador dentro de un bucle de retroalimentación con la gran ganancia de bucle abierto de un amplificador operacional anterior. Como resultado, esta gran ganancia reduce los errores AD8476, incluidos el ruido, la distorsión, el retraso y la corriente de compensación cuando se presenta a la entrada.

Figura 2
Figura 2. Convertidor asimétrico a diferencial mejorado.

El circuito de la Figura 2 se describe mediante las siguientes ecuaciones:

VCORREOS ≈VEN (1)
(VCORREOS + VDELANTERO) =2 Vdirector de marketing = 2 VÁRBITRO (2)
VDELANTERO = 2 VÁRBITROVEN (3)

Combinando (1) y (3),

VSALIDA, DIF = VCORREOS VDELANTERO = 2(VEN – vÁRBITRO)
(4)

La ecuación 3 muestra dos propiedades importantes sobre el circuito: primero, el circuito tiene dos ganancias diferenciales de un solo extremo. En segundo lugar, la VÁRBITRO sirve como referencia a la señal de entrada, por lo que puede usarse para cancelar un desplazamiento en la señal de entrada. Por ejemplo, si la señal de entrada tiene una compensación de 1 V, aplique 1 V a la VÁRBITRO el nudo lo deshace.

Si la aplicación prevista requiere una ganancia de más de dos, el circuito de la Figura 2 se puede modificar, como se muestra en la Figura 3. En este caso, la ganancia diferencial de un solo extremo del circuito está dictada por resistencias externas, R.F y Rgramocomo:

Ecuación 5
(5)

y

Ecuación 6
(6)
imagen 3
Figura 3. Convertidor de un solo extremo a diferencial mejorado con ganancia de resistencia programable.

Al igual que el circuito de la Figura 2, este convertidor mejorado de uno a diferencial rechaza los errores del amplificador diferencial colocándolo dentro del circuito de retroalimentación del amplificador operacional. Al igual que con cualquier enlace de retroalimentación, se debe tener cuidado para garantizar que el sistema sea estable. Con referencia a la Figura 2, la conexión en cascada del OP1177 y el AD8476 crea una salida de amplificador operacional diferencial compuesta donde la ganancia de bucle abierto sobre la frecuencia es el resultado de la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional y la ganancia de bucle cerrado del amplificador diferencial. . Por lo tanto, el ancho de banda de bucle cerrado del AD8476 polariza la ganancia de bucle abierto del OP1177. Para garantizar la estabilidad, el ancho de banda del amplificador diferencial debe ser mayor que la frecuencia de ganancia unitaria del amplificador operacional. Este requisito se relaja en el circuito de la Figura 3, porque la red de retroalimentación resistiva reduce efectivamente la frecuencia de ganancia unitaria del OP1177 por un factor de Rgramo/(Rgramo +RF). Dado que el AD8476 tiene un ancho de banda de 5 MHz y el OP1177 tiene una frecuencia de ganancia unitaria de 1 MHz, los circuitos que se muestran no tienen problemas de estabilidad. La Figura 4 muestra una fotografía de osciloscopio de las señales de entrada y salida del circuito de la Figura 2 accionado con una onda sinusoidal de 10 Hz, 1 Vpp de referencia a tierra. Para simplificarlo, la VÁRBITRO un nodo estaba conectado a tierra.

Figura 4
Figura 4. Señales de entrada y salida del circuito de la Figura 2 cuando se activa con una onda sinusoidal referenciada a tierra de 10 kHz y 1 Vpp.

Cuando se va a usar un amplificador amplificador donde la frecuencia de ganancia es la unidad mucho mayor que el ancho de banda del amplificador diferencial, se debe usar un capacitor limitador de ancho de banda, CFinsertado, como se muestra en la Figura 3. Condensador CF forma un integrador con la resistencia de retroalimentación, RFde modo que el ancho de banda total del circuito viene dado por

Ecuación 7
(Siete)

La mitad de la ecuación del ancho de banda se debe al hecho de que la retroalimentación es asimétrica en lugar de diferencial, lo que reduce la retroalimentación y el ancho de banda por un factor de 2. Si este ancho de banda reducido es menor que el ancho de banda de circuito cerrado del amplificador, el circuito será estable. Esta técnica de limitación de ancho de banda también se puede utilizar con una ganancia de dos a través de Rgramo circuito abierto.

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