專利名稱：一種前置差分放大器輸入范圍擴(kuò)展方法及前置差分放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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 放大器輸入范圍擴(kuò)展方法及前置差分放大器。
背景技術(shù)：
通常高精度E-J單電源模-數(shù)轉(zhuǎn)換器U/D器件)采用平衡輸入方式， 內(nèi)部設(shè)置有高阻抗的緩沖器的儀表放大器類(lèi)型的可編程增益放大器(PGA)將 差模信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換，利用平衡輸入所具有的高共模抑制比作為AD系統(tǒng) 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 由于通常只有5V單電源供電，輸入范圍校小，而通用電子測(cè)量?jī)x器所測(cè)信號(hào) 的電壓及其源電阻范圍要寬得多，而且需要多種測(cè)量功能的切換和增益的衰 減，這就對(duì)前置放大器的輸入范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芯片，必須將輸入信號(hào)的一端綁定到一個(gè)固定的電壓， 通常綁定A/D芯片輸入范圍(VAN)的中點(diǎn)電位Vw，這樣勢(shì)必由于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范圍，V。UT = VP-VN = ±VAN，但是 由于有兩個(gè)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(yīng)用范圍。如采用通常的前置放大器的輸入方式將會(huì)受以下因素的限制(1) 由于采用差分輸入的AD芯片通常采用單電源供電，差分輸入的中點(diǎn)電 位需要抬高電壓輸入范圍的l/2才能有效利用輸入的動(dòng)態(tài)范圍，如與單端信號(hào)連接時(shí)，需要將單端信號(hào)抬高才能連接，并且會(huì)損失輸入的動(dòng)態(tài)范圍。(2) 如采用不平衡輸入方式，雖可獲得高輸入阻抗，但在這種方式下，放 大器的 一個(gè)輸入用作接地參考，兩輸入運(yùn)放不能共同承擔(dān)對(duì)差才莫信號(hào)的放大，因而其有效輸入范圍比平衡輸入方式小l/2以上，同時(shí)不平衡輸入方式的放大 器和跟隨器，因其單端輸入方式對(duì)交流共模干擾全無(wú)抑制作用，完全要依賴 模擬和數(shù)字濾波的方式消除，所以共模抑制性能也變差。(3)如采用平衡輸入方式，被測(cè)信號(hào)與放大器之間通常沒(méi)有公共端，要使 具有高輸入阻抗緩沖器正常工作，必須提供其輸入偏置電流的路徑，否則兩 輸入端懸浮，由于輸入電容上的電荷積累，最終將導(dǎo)致輸入運(yùn)放超過(guò)共模范 圍而進(jìn)入飽和狀態(tài)。因此，需在兩輸入端通過(guò)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(cè)量?jī)x表的前端輸入緩沖放大器設(shè)計(jì)難點(diǎn)，首先在于對(duì)寬范圍 輸入信號(hào)的緩沖和共模干擾的抑制。但受輸入范圍和輸入阻抗的限制，國(guó)內(nèi) 外一些儀器產(chǎn)品不得不轉(zhuǎn)而采取兩組放大器并行輸入的方案，即由FET對(duì)管與 運(yùn)放構(gòu)成精密高阻抗放大器提供小信號(hào)放大，而由低偏置電流運(yùn)放構(gòu)成單端 跟隨器作大信號(hào)緩沖，通過(guò)輸出自舉方式為其自身提供隨輸入信號(hào)變化的工 作電源，從而獲得土 30V緩沖范圍。從電路結(jié)構(gòu)看，兩組放大器并行輸入的方案的跟隨器需要通過(guò)輸出自舉 電路供電，并需提供一組約土40V高壓電源才能獲得土30V緩沖范圍，同時(shí)， 為保證小信號(hào)放大器性能和必要的動(dòng)態(tài)范圍，其FET輸入電路也需要一套伺服電路為其提供與輸入信號(hào)關(guān)聯(lián)的主作電源，以動(dòng)態(tài)地維持恰當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)。此 外，當(dāng)大信號(hào)輸入時(shí)，為保護(hù)小信號(hào)放大器，必須切斷其輸入。這些，不僅 使電路變得十分復(fù)雜，成本大為提高，也使放大器速度性能下降。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種前置差分放大器輸入范圍擴(kuò)展方法及前置差分放大器， 用于將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，特別是指通過(guò)輸出前饋的方式，形成一個(gè) 同1 /2差模信號(hào)反向浮動(dòng)的偏壓，使輸入信號(hào)的中點(diǎn)電位保持在基準(zhǔn)電平上， 將信號(hào)的零點(diǎn)電位進(jìn)行變換，同時(shí)可以有效去除共模噪聲，并將放大器的輸
入范圍擴(kuò)大。為了實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的目的之一在于，提供一種前置差分放大器輸入范圍擴(kuò)展方法，所述方法包括以下步驟輸入方式選擇步驟，用 于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，用于將前置差分放大器中的正向緩沖放大器的輸出經(jīng)過(guò)反向后前饋 到反向輸入緩沖放大器的一輸入端，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(duì)于源電阻低的信號(hào)，選擇平衡輸入方 式；而對(duì)源電阻高的信號(hào)，采用不平衡輸入方式。所述的輸出前饋步驟包括將高阻抗緩沖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(shí)，加入一個(gè)直流偏置電壓，用來(lái)抬高平衡輸入的中點(diǎn) 電4立，實(shí)^見(jiàn)電4立平移。將經(jīng)過(guò)緩沖放大后的信號(hào)輸入到 一衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行衰減； 將衰減后的信號(hào)輸入到一單電源差分輸入的A/D芯片進(jìn)行放大。 本發(fā)明的另一目的在于，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沖放大器；還包括輸出前饋網(wǎng)絡(luò) 和輸入方式選擇裝置；所述正向輸入緩沖放大器的輸出端與所述輸出前饋網(wǎng) 絡(luò)輸入端連接，所述輸出前饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端與所述反向輸入緩沖放大器的反 向輸入端連接；其中，所述的輸入方式選擇裝置，用于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(wǎng)絡(luò)，用于將 所述的正向輸入緩沖放大器的輸出經(jīng)過(guò)反向后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(kāi)關(guān)，如果為源電阻低的信號(hào)，所述開(kāi)關(guān) 閉合以采用平衡輸入方式；如果為源電阻高的信號(hào)，所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)以采用不 平衡輸入方式。所述的輸出前饋網(wǎng)絡(luò)由一反相放大器和電阻連接構(gòu)成；其中，對(duì)所述電 阻的阻值進(jìn)行設(shè)定，用于將高阻抗的緩沖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。所述的輸出前饋網(wǎng)絡(luò)用于在反向放大的同時(shí)，加入一個(gè)直流偏置電壓， 用來(lái)抬高平衡輸入的中點(diǎn)電位，實(shí)現(xiàn)電位平移。所述的差分放大器還包括 一衰減網(wǎng)絡(luò)和一A/D芯片；所述正向緩沖放大 器的輸出端和所述反向緩沖放大器的輸出端分別與所述的衰減網(wǎng)絡(luò)連接，所 述的衰減網(wǎng)絡(luò)與所述的A/D芯片連接；其中，所述的衰減網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)經(jīng)過(guò)緩 沖放大后的信號(hào)進(jìn)行衰減；所述的A/D芯片，用于對(duì)衰減后的信號(hào)進(jìn)行;改大、 模數(shù)轉(zhuǎn)換和輸出。本發(fā)明的有益效果在于，通過(guò)提供一種前置差分放大器輸入范圍擴(kuò)展方 法及前置差分放大器，提供了前置差分放大器輸入范圍擴(kuò)展方案，解決了不 平衡輸入的擴(kuò)展問(wèn)題。綜合平衡/不平衡輸入的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的前 端放大器。


圖la為現(xiàn)有技術(shù)中單端輸入的高阻抗前置放大器電路圖； 圖lb為現(xiàn)有技術(shù)中差分輸入的前置放大器電路圖； 圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2的電路圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的電路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。 實(shí)施例l本發(fā)明提供了一種前置差分放大器輸入范圍擴(kuò)展方法，該方法通過(guò)切換, 可以將前置差分放大器設(shè)置成平衡輸入方式和不平衡輸入方式。為電子測(cè)量 儀器的前端放大器設(shè)計(jì)提供一種寬輸入范圍與高阻抗的放大器解決方案。為 達(dá)此目的，將差分輸入的高阻抗緩沖器的一端輸出經(jīng)過(guò)反向以后前饋到另一 端(其中一端可以為正也可以為負(fù))，或者將高阻抗緩沖器輸出的差模電壓的-1/2前饋到反向輸入端。同時(shí)，在反向放大的同時(shí)還可以加入一個(gè)直流偏 置電壓，用來(lái)抬高平衡輸入的中點(diǎn)電位，實(shí)現(xiàn)電位平移。 實(shí)施例2本發(fā)明提供了一種前置差分放大器，該差分放大器通過(guò)切換，可以將前 置差分放大器設(shè)置成平衡輸入方式和不平衡輸入方式。為電子測(cè)量?jī)x器的前 端放大器設(shè)計(jì)提供一種寬輸入范圍與高阻抗的放大器解決方案。為達(dá)此目的， 將差分輸入的高阻抗緩沖器的一端輸出經(jīng)過(guò)反向以后前饋到另 一端(其中一 端可以為正也可以為負(fù))，或者將高阻抗緩沖器輸出的差模電壓的-l/2前饋 到反向輸入端。同時(shí)，在反向放大的同時(shí)還可以加入一個(gè)直流偏置電壓，用 來(lái)抬高平衡輸入的中點(diǎn)電位，實(shí)現(xiàn)電位平移。如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例l的電路形式Ul、 U2為輸入緩沖放大器， 采用CMOS或者是JFET結(jié)構(gòu)高壓零漂移運(yùn)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(wǎng)絡(luò)的連接形式如圖2所示。圖2 中是將U1輸出的電壓經(jīng)U3反向后，通過(guò)R2前饋到反向放大端N。 U3承擔(dān)了電壓 平移的作用，將VP和VN的中點(diǎn)電位(VP+VN)/2提高到VREF。經(jīng)過(guò)緩沖器后的信號(hào)，連接到一個(gè)衰減網(wǎng)絡(luò)，保證了大信號(hào)不超過(guò)A/D 芯片的電壓輸入范圍；通過(guò)衰減網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)連接到一個(gè)單電源差分輸入的A/D 芯片，對(duì)于小信號(hào)，衰減網(wǎng)絡(luò)則直通，并且利用A/D芯片中的可編程i文大器PGA 進(jìn)行放大，進(jìn)一步提高小信號(hào)測(cè)量精度與分辨率。由于信號(hào)在整個(gè)電路中沒(méi) 有專門(mén)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(yùn)放采用土15V電壓工作，可以保證有土12V線性輸入范圍，不論電 路處于平衡模式還是不平衡模式，電路的差分輸入范圍都可以達(dá)到土24V的輸 入范圍，也就是與前述的不平衡電路有大一倍的輸入范圍。電路中通過(guò)切換 開(kāi)關(guān)K1轉(zhuǎn)換電路的平衡和不平衡模式，不平衡輸入時(shí)，理論上可達(dá)10GQ;平 衡輸入時(shí)，差模輸入電阻約20MQ。
實(shí)施例3如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例3的電路形式Ul、 U2為輸入緩沖放大器， 采用CMOS或者是JFET結(jié)構(gòu)高壓零漂移運(yùn)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(jīng)緩沖器輸出的差 模信號(hào)衰減G = - 1/2后反饋到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(diǎn)也是相同，只是對(duì)共模噪 聲的抑制性能有所不同。同時(shí)，U3承擔(dān)了電壓平移的作用，將VP和VN的中點(diǎn) 電位(VP+VN)/2提高到VREF。經(jīng)過(guò)緩沖器后的信號(hào)，連接到一個(gè)衰減網(wǎng)絡(luò)，保證了大信號(hào)不超過(guò)A/D 芯片的電壓輸入范圍；通過(guò)衰減網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)連接到一個(gè)單電源差分輸入的A/D 芯片，對(duì)于小信號(hào)，衰減網(wǎng)絡(luò)則直通，并且利用A/D芯片中的可編程放大器PGA 進(jìn)行放大，進(jìn)一步提高小信號(hào)測(cè)量精度與分辨率。由于信號(hào)在整個(gè)電路中沒(méi) 有專門(mén)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(yùn)放采用土15V電壓工作，可以保證有土12V線性輸入范圍，不論電 路處于平衡模式還是不平衡才莫式，電路的差分輸入范圍都可以達(dá)到± 24V的輸 入范圍，也就是與前述的不平衡電路有大一倍的輸入范圍。電路中通過(guò)切換 開(kāi)關(guān)K1轉(zhuǎn)換電路的平衡和不平衡模式，不平衡輸入時(shí)，理論上可達(dá)10GQ;平 衡輸入時(shí)，差模輸入電阻約20MQ。從本發(fā)明的實(shí)施例可知，為發(fā)揮平衡輸入與不平衡輸入兩種輸入方式的 優(yōu)勢(shì)，采取平衡/不平衡可選的輸入方式，即選擇高/低輸入阻抗。對(duì)于源 電阻不高的信號(hào)，選擇平衡輸入方式可獲得最佳精度；而對(duì)高源電阻的信號(hào)， 輸入偏置電阻對(duì)信號(hào)的分壓作用加大，它造成的誤差將對(duì)精度起決定性影響， 這時(shí)采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(hào)為-1/2增益，對(duì)于負(fù)端為正 反饋，對(duì)于正端則為負(fù)反饋，只有當(dāng)放大器總增益大于l,輸出前饋才可能造 成電路的不穩(wěn)定。因此，電路在工作過(guò)程中處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。
通用電子測(cè)量?jī)x表的前端輸入緩沖放大器設(shè)計(jì)難點(diǎn)，首先在于對(duì)寬范圍 輸入信號(hào)的緩沖和共模干擾的抑制。本發(fā)明所提出的緩沖大器的形式，提共 了輸入范圍擴(kuò)展方案，解決了不平衡輸入的擴(kuò)展問(wèn)題。這樣，以應(yīng)用實(shí)例中 介紹的方式，就可綜合平衡/不平衡輸入的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍前端放大 器的解決方案。與并行輸入方案比較，本發(fā)明方案在平衡輸入方式下，其最佳測(cè)量精度 可覆蓋全部輸入范圍，對(duì)于大多數(shù)源電阻不很高的信號(hào)測(cè)量，明顯優(yōu)于前者。 對(duì)于高源電阻的信號(hào)測(cè)量，放大器須采取不平衡輸入方式，這將導(dǎo)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(duì)交流共模干 擾全無(wú)抑制作用，完全要依賴模擬和數(shù)字濾波的方式消除。從電路結(jié)構(gòu)看，本發(fā)明為一元結(jié)構(gòu)，電路簡(jiǎn)單且不降低速度性能。與現(xiàn) 有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的。以上分析與比較表明，前置差分放大器輸入范圍的擴(kuò)展，不僅為電子測(cè) 量?jī)x器的前端放大器設(shè)計(jì)提供了 一種新的選擇，由于不平衡輸入擴(kuò)展問(wèn)題的 解決，高、低輸入阻抗下的輸入范圍都能成倍擴(kuò)大，還將進(jìn)一步拓展儀表中 前置差分放大器的應(yīng)用空間，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。以上具體實(shí)施方式
僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非用于限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種前置差分放大器輸入范圍擴(kuò)展方法，所述方法包括以下步驟輸出前饋步驟，用于將前置差分放大器的輸出信號(hào)經(jīng)反向以后前饋到反向輸入端；中點(diǎn)電位偏置步驟，將前置差分放大器差模輸出信號(hào)，加入一個(gè)基準(zhǔn)電位，一同反饋到反向輸入端，使輸出的差模信號(hào)的中點(diǎn)電位獲得平移；輸入方式選擇步驟，用于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(jù)權(quán)利要求6所述的前置差分放大器，其特征在于，所述的輸入方 式選擇裝置為一開(kāi)關(guān)，如果為源電阻低的信號(hào)，所述開(kāi)關(guān)閉合以采用平衡輸 入方式；如果為源電阻高的信號(hào)，所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)以采用不平衡輸入方式。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的前置差分放大器，其特征在于，所述的輸出前 饋網(wǎng)絡(luò)由一反相放大器和電阻連接構(gòu)成；其中，對(duì)所述電阻的阻值進(jìn)行設(shè)定，用于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(jù)權(quán)利要求8所述的前置差分放大器，其特征在于，所述的輸出前 饋網(wǎng)絡(luò)用于在反向l/2放大的同時(shí)，加入一個(gè)直流偏置電壓，用來(lái)抬高平衡輸 入的中點(diǎn)電位，實(shí)現(xiàn)電位平移。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6至9任意一項(xiàng)所述的前置差分放大器，其特征在于還 包括 一衰減網(wǎng)絡(luò)和一A/D芯片；所述正向緩沖放大器的輸出端和所述反向緩沖放大器的輸出端分別與所 述的衰減網(wǎng)絡(luò)連接，所述的衰減網(wǎng)絡(luò)與所述的A/D芯片連接；其中， 所述的衰減網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)經(jīng)過(guò)緩沖放大后的信號(hào)進(jìn)行衰減； 所述的A/D芯片，用于對(duì)衰減后的信號(hào)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和輸出。
全文摘要
本發(fā)明為一種前置差分放大器輸入范圍擴(kuò)展方法及前置差分放大器，包括同向輸入緩沖器、反向輸入緩沖器、前饋網(wǎng)絡(luò)、差分輸出中點(diǎn)電位偏置電路、輸入方式選擇。輸出前饋步驟及網(wǎng)絡(luò)，用于將差分輸入的前置放大器中的一個(gè)運(yùn)放的輸出經(jīng)過(guò)反向后前饋到另一輸入緩沖放大器的一輸入端或者將整個(gè)差分輸出信號(hào)的-1/2反饋到差分放大器的反向輸入端。本發(fā)明用于將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，特別是指通過(guò)輸出前饋的方式，形成一個(gè)同1/2差模信號(hào)反向浮動(dòng)的偏壓，使輸入信號(hào)的中點(diǎn)電位保持在基準(zhǔn)電平上。而且這個(gè)基準(zhǔn)電平可以加入一個(gè)偏置電壓，同時(shí)可以有效去除共模噪聲，并將放大器的輸入范圍擴(kuò)大。
文檔編號(hào)H03M1/12GK101132168SQ200610112619
公開(kāi)日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者李維森, 悅 王, 王鐵軍 申請(qǐng)人:王 悅;王鐵軍;李維森