CN101132168A - 一种前置差分放大器输入范围扩展方法及前置差分放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种前置差分放大器输入范围扩展方法及前置差分放大器，包括：同向输入缓冲器、反向输入缓冲器、前馈网络、差分输出中点电位偏置电路、输入方式选择。输出前馈步骤及网络，用于将差分输入的前置放大器中的一个运放的输出经过反向后前馈到另一输入缓冲放大器的一输入端或者将整个差分输出信号的－1/2反馈到差分放大器的反向输入端。本发明用于将单端信号转换为差分信号，特别是指通过输出前馈的方式，形成一个同1/2差模信号反向浮动的偏压，使输入信号的中点电位保持在基准电平上。而且这个基准电平可以加入一个偏置电压，同时可以有效去除共模噪声，并将放大器的输入范围扩大。
Description
技术领域
本发明涉及高阻抗差分输入前置缓冲放大器，具体的讲是一种前置差分放大器输入范围扩展方法及前置差分放大器。
背景技术
通常高精度∑-Δ单电源模-数转换器(A/D器件)采用平衡输入方式，内部设置有高阻抗的缓冲器的仪表放大器类型的可编程增益放大器(PGA)将差模信号进行放大和转换，利用平衡输入所具有的高共模抑制比作为AD***的前置放大器，以提高输入的共模抑制比，减小噪声的影响。但是，A/D器件由于通常只有5V单电源供电，输入范围校小，而通用电子测量仪器所测信号的电压及其源电阻范围要宽得多，而且需要多种测量功能的切换和增益的衰减，这就对前置放大器的输入范围和输入阻抗提出了更高的要求。
如图1(a)所示，为单端输入的高阻抗前置放大器，为了连接到单电源供电的平衡输入的A/D芯片，必须将输入信号的一端绑定到一个固定的电压，通常绑定A/D芯片输入范围(VAN)的中点电位Vref，这样势必由于VN的电位被固定，VOUT＝VP-VN只能输出±1/2VAN；如图1(b)所示，为差分输入方式，虽然有很好的共模抑制能力和满幅的输出范围，VOUT＝VP-VN＝±VAN，但是由于有两个输入电阻R1和R2，使输入阻抗不可能做得很大，这样就限制了其应用范围。如采用通常的前置放大器的输入方式将会受以下因素的限制：
(1)由于采用差分输入的AD芯片通常采用单电源供电，差分输入的中点电位需要抬高电压输入范围的1/2才能有效利用输入的动态范围，如与单端信号连接时，需要将单端信号抬高才能连接，并且会损失输入的动态范围。
(2)如采用不平衡输入方式，虽可获得高输入阻抗，但在这种方式下，放大器的一个输入用作接地参考，两输入运放不能共同承担对差模信号的放大，因而其有效输入范围比平衡输入方式小1/2以上，同时不平衡输入方式的放大器和跟随器，因其单端输入方式对交流共模干扰全无抑制作用，完全要依赖模拟和数字滤波的方式消除，所以共模抑制性能也变差。
(3)如采用平衡输入方式，被测信号与放大器之间通常没有公共端，要使具有高输入阻抗缓冲器正常工作，必须提供其输入偏置电流的路径，否则两输入端悬浮，由于输入电容上的电荷积累，最终将导致输入运放超过共模范围而进入饱和状态。因此，需在两输入端通过等值电阻接地以提供偏置电流通路。这样，其输入阻抗将主要由两偏置电阻决定，因而不可能很高。
通用电子测量仪表的前端输入缓冲放大器设计难点，首先在于对宽范围输入信号的缓冲和共模干扰的抑制。但受输入范围和输入阻抗的限制，国内外一些仪器产品不得不转而采取两组放大器并行输入的方案，即由FET对管与运放构成精密高阻抗放大器提供小信号放大，而由低偏置电流运放构成单端跟随器作大信号缓冲，通过输出自举方式为其自身提供随输入信号变化的工作电源，从而获得±30V缓冲范围。
从电路结构看，两组放大器并行输入的方案的跟随器需要通过输出自举电路供电，并需提供一组约±40V高压电源才能获得±30V缓冲范围，同时，为保证小信号放大器性能和必要的动态范围，其FET输入电路也需要一套伺服电路为其提供与输入信号关联的工作电源，以动态地维持恰当的工作点。此外，当大信号输入时，为保护小信号放大器，必须切断其输入。这些，不仅使电路变得十分复杂，成本大为提高，也使放大器速度性能下降。
发明内容
本发明提供一种前置差分放大器输入范围扩展方法及前置差分放大器，用于将单端信号转换为差分信号，特别是指通过输出前馈的方式，形成一个同1/2差模信号反向浮动的偏压，使输入信号的中点电位保持在基准电平上，将信号的零点电位进行变换，同时可以有效去除共模噪声，并将放大器的输入范围扩大。
为了实现上述的发明目的，本发明的目的之一在于，提供一种前置差分放大器输入范围扩展方法，所述方法包括以下步骤：输入方式选择步骤，用于选择平衡输入方式或不平衡输入方式作为差分放大器的输入方式；输出前馈步骤，用于将前置差分放大器中的正向缓冲放大器的输出经过反向后前馈到反向输入缓冲放大器的一输入端，也就是将差模输出的-1/2前馈到差分放大器的反向输入端。
所述的输入方式选择步骤包括：对于源电阻低的信号，选择平衡输入方式；而对源电阻高的信号，采用不平衡输入方式。
所述的输出前馈步骤包括：将高阻抗缓冲放大器输出的差模电压的-1/2前馈到另一输入缓冲放大器的反向输入端。
在反向放大的同时，加入一个直流偏置电压，用来抬高平衡输入的中点电位，实现电位平移。
将经过缓冲放大后的信号输入到一衰减网络进行衰减；
将衰减后的信号输入到一单电源差分输入的A/D芯片进行放大。
本发明的另一目的在于，提供一种前置差分放大器，该前置差分放大器包括：正向输入缓冲放大器和反向输入缓冲放大器；还包括：输出前馈网络和输入方式选择装置；所述正向输入缓冲放大器的输出端与所述输出前馈网络输入端连接，所述输出前馈网络的输出端与所述反向输入缓冲放大器的反向输入端连接；其中，所述的输入方式选择装置，用于选择平衡输入方式或不平衡输入方式作为差分放大器的输入方式；所述的输出前馈网络，用于将所述的正向输入缓冲放大器的输出经过反向后前馈到所述反向输入缓冲放大器的一输入端。
所述的输入方式选择装置为一开关，如果为源电阻低的信号，所述开关闭合以采用平衡输入方式；如果为源电阻高的信号，所述开关断开以采用不平衡输入方式。
所述的输出前馈网络由一反相放大器和电阻连接构成；其中，对所述电阻的阻值进行设定，用于将高阻抗的缓冲放大器输出的差模电压的-1/2前馈到反向输入缓冲放大器的反向输入端。
所述的输出前馈网络用于在反向放大的同时，加入一个直流偏置电压，用来抬高平衡输入的中点电位，实现电位平移。
所述的差分放大器还包括：一衰减网络和一A/D芯片；所述正向缓冲放大器的输出端和所述反向缓冲放大器的输出端分别与所述的衰减网络连接，所述的衰减网络与所述的A/D芯片连接；其中，所述的衰减网络，用于对经过缓冲放大后的信号进行衰减；所述的A/D芯片，用于对衰减后的信号进行放大、模数转换和输出。
本发明的有益效果在于，通过提供一种前置差分放大器输入范围扩展方法及前置差分放大器，提供了前置差分放大器输入范围扩展方案，解决了不平衡输入的扩展问题。综合平衡/不平衡输入的优势，实现大动态范围的前端放大器。
附图说明
图1a为现有技术中单端输入的高阻抗前置放大器电路图；
图1b为现有技术中差分输入的前置放大器电路图；
图2为本发明的实施例2的电路图；
图3为本发明实施例3的电路图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本发明提供了一种前置差分放大器输入范围扩展方法，该方法通过切换，可以将前置差分放大器设置成平衡输入方式和不平衡输入方式。为电子测量仪器的前端放大器设计提供一种宽输入范围与高阻抗的放大器解决方案。为达此目的，将差分输入的高阻抗缓冲器的一端输出经过反向以后前馈到另一端(其中一端可以为正也可以为负)，或者将高阻抗缓冲器输出的差模电压的-1/2前馈到反向输入端。同时，在反向放大的同时还可以加入一个直流偏置电压，用来抬高平衡输入的中点电位，实现电位平移。
实施例2
本发明提供了一种前置差分放大器，该差分放大器通过切换，可以将前置差分放大器设置成平衡输入方式和不平衡输入方式。为电子测量仪器的前端放大器设计提供一种宽输入范围与高阻抗的放大器解决方案。为达此目的，将差分输入的高阻抗缓冲器的一端输出经过反向以后前馈到另一端(其中一端可以为正也可以为负)，或者将高阻抗缓冲器输出的差模电压的-1/2前馈到反向输入端。同时，在反向放大的同时还可以加入一个直流偏置电压，用来抬高平衡输入的中点电位，实现电位平移。
如图2所示，为本发明实施例1的电路形式：U1、U2为输入缓冲放大器，采用CMOS或者是JFET结构高压零漂移运放，在图1的电路中，输入缓冲器增益为1。由输出前馈放大器U3组成的输出前馈网络的连接形式如图2所示。图2中是将U1输出的电压经U3反向后，通过R2前馈到反向放大端N。U3承担了电压平移的作用，将VP和VN的中点电位(VP+VN)/2提高到VREF。
经过缓冲器后的信号，连接到一个衰减网络，保证了大信号不超过A/D芯片的电压输入范围；通过衰减网络的信号连接到一个单电源差分输入的A/D芯片，对于小信号，衰减网络则直通，并且利用A/D芯片中的可编程放大器PGA进行放大，进一步提高小信号测量精度与分辨率。由于信号在整个电路中没有专门的电压平移电路，减小了电压平移电路所造成的零漂和温漂。如图2电路中的运放采用±15V电压工作，可以保证有±12V线性输入范围，不论电路处于平衡模式还是不平衡模式，电路的差分输入范围都可以达到±24V的输入范围，也就是与前述的不平衡电路有大一倍的输入范围。电路中通过切换开关K1转换电路的平衡和不平衡模式，不平衡输入时，理论上可达10GΩ；平衡输入时，差模输入电阻约20MΩ。
实施例3
如图3所示，为本发明实施例3的电路形式：U1、U2为输入缓冲放大器，采用CMOS或者是JFET结构高压零漂移运放，在图3的电路中，输入缓冲器增益为1。输出前馈放大器U3的连接形式如图3所示。图3中是将经缓冲器输出的差模信号衰减G＝-1/2后反馈到U2的输入端。在正常工作的情况下，图2和图3这两种连接方式反馈量是相同的，直流工作点也是相同，只是对共模噪声的抑制性能有所不同。同时，U3承担了电压平移的作用，将VP和VN的中点电位(VP+VN)/2提高到VREF。
经过缓冲器后的信号，连接到一个衰减网络，保证了大信号不超过A/D芯片的电压输入范围；通过衰减网络的信号连接到一个单电源差分输入的A/D芯片，对于小信号，衰减网络则直通，并且利用A/D芯片中的可编程放大器PGA进行放大，进一步提高小信号测量精度与分辨率。由于信号在整个电路中没有专门的电压平移电路，减小了电压平移电路所造成的零漂和温漂。如图3电路中的运放采用±15V电压工作，可以保证有±12V线性输入范围，不论电路处于平衡模式还是不平衡模式，电路的差分输入范围都可以达到±24V的输入范围，也就是与前述的不平衡电路有大一倍的输入范围。电路中通过切换开关K1转换电路的平衡和不平衡模式，不平衡输入时，理论上可达10GΩ；平衡输入时，差模输入电阻约20MΩ。
从本发明的实施例可知，为发挥平衡输入与不平衡输入两种输入方式的优势，采取平衡/不平衡可选的输入方式，即选择高/低输入阻抗。对于源电阻不高的信号，选择平衡输入方式可获得最佳精度；而对高源电阻的信号，输入偏置电阻对信号的分压作用加大，它造成的误差将对精度起决定性影响，这时采用不平衡输入方式能获得较高精度。
有必要指出，在不平衡方式下，前馈的信号为-1/2增益，对于负端为正反馈，对于正端则为负反馈，只有当放大器总增益大于1，输出前馈才可能造成电路的不稳定。因此，电路在工作过程中处于一个稳定状态。
通用电子测量仪表的前端输入缓冲放大器设计难点，首先在于对宽范围输入信号的缓冲和共模干扰的抑制。本发明所提出的缓冲大器的形式，提共了输入范围扩展方案，解决了不平衡输入的扩展问题。这样，以应用实例中介绍的方式，就可综合平衡/不平衡输入的优势，实现大动态范围前端放大器的解决方案。
与并行输入方案比较，本发明方案在平衡输入方式下，其最佳测量精度可覆盖全部输入范围，对于大多数源电阻不很高的信号测量，明显优于前者。对于高源电阻的信号测量，放大器须采取不平衡输入方式，这将导致其共模抑制性能下降，但前者的放大器和跟随器，因其单端输入方式对交流共模干扰全无抑制作用，完全要依赖模拟和数字滤波的方式消除。
从电路结构看，本发明为一元结构，电路简单且不降低速度性能。与现有技术相比，本发明的优越性是显而易见的。
以上分析与比较表明，前置差分放大器输入范围的扩展，不仅为电子测量仪器的前端放大器设计提供了一种新的选择，由于不平衡输入扩展问题的解决，高、低输入阻抗下的输入范围都能成倍扩大，还将进一步拓展仪表中前置差分放大器的应用空间，具有很强的现实意义。
以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。
Claims (10)
1.一种前置差分放大器输入范围扩展方法，所述方法包括以下步骤：
输出前馈步骤，用于将前置差分放大器的输出信号经反向以后前馈到反向输入端；
中点电位偏置步骤，将前置差分放大器差模输出信号，加入一个基准电位，一同反馈到反向输入端，使输出的差模信号的中点电位获得平移；
输入方式选择步骤，用于选择平衡输入方式或不平衡输入方式作为差分放大器的输入方式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的输入方式选择步骤包括：对于源电阻低的信号，选择平衡输入方式；而对源电阻高的信号，采用不平衡输入方式；且
所述的输出前馈步骤包括，将前置差分放大器差模输出信号的1/2经反向以后前馈到反向输入端；
所述的中点电位提升步骤包括，将差模输出信号的-1/2，加入一个基准电位，一同反馈到反向输入端。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的输出前馈步骤包括：将高阻抗缓冲放大器输出的差模电压的-1/2前馈到缓冲放大器的反向输入端。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在反向放大的同时，加入一个直流偏置电压，用来抬高平衡输入的中点电位，实现电位平移。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将经过缓冲放大后的信号输入到一衰减网络进行衰减；
将衰减后的信号输入到一单电源差分输入的A/D芯片进行放大。
6.一种前置差分放大器，包括：正向输入缓冲放大器和反向输入缓冲放大器；其特征是还包括：输出前馈网络和输入方式选择装置；
所述正向输入缓冲放大器的输出端与所述输出前馈网络输入端连接，所述输出前馈网络的输出端与所述反向输入缓冲放大器的反向输入端连接；其中，
所述的输入方式选择装置，用于选择平衡输入方式或不平衡输入方式作为前置差分放大器的输入方式；
所述的输出前馈网络，用于将所述的正向输入缓冲放大器的输出经过反向后前馈到所述反向输入缓冲放大器的输入端。
7.根据权利要求6所述的前置差分放大器，其特征在于，所述的输入方式选择装置为一开关，如果为源电阻低的信号，所述开关闭合以采用平衡输入方式；如果为源电阻高的信号，所述开关断开以采用不平衡输入方式。
8.根据权利要求6所述的前置差分放大器，其特征在于，所述的输出前馈网络由一反相放大器和电阻连接构成；其中，
对所述电阻的阻值进行设定，用于将高阻抗的差分放大器输出的差模电压的-1/2前馈到反向输入缓冲放大器的反向输入端。
9.根据权利要求8所述的前置差分放大器，其特征在于，所述的输出前馈网络用于在反向1/2放大的同时，加入一个直流偏置电压，用来抬高平衡输入的中点电位，实现电位平移。
10.根据权利要求6至9任意一项所述的前置差分放大器，其特征在于还包括：一衰减网络和一A/D芯片；
所述正向缓冲放大器的输出端和所述反向缓冲放大器的输出端分别与所述的衰减网络连接，所述的衰减网络与所述的A/D芯片连接；其中，
所述的衰减网络，用于对经过缓冲放大后的信号进行衰减；
所述的A/D芯片，用于对衰减后的信号进行放大、模数转换和输出。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: WANG TIEJUN LI WEISEN Owner name: BEIJING RIGOL TECHNOLOGIES, INC. Free format text: FORMER OWNER: WANG YUE Effective date: 20110511 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110511 Address after: 102206 Beijing City, Shahe Town, step on the river village, No. 156 Patentee after: Beijing Rigol Technologies, Inc. Address before: 102206 Beijing City, Shahe Town, step on the river village, No. 156 Co-patentee before: Wang Tiejun Patentee before: Wang Yue Co-patentee before: Li Weisen |