在許多實際應(yīng)用中，如電機控制或高壓測量系統(tǒng)，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）需要處理微弱的差分信號，同時面對較大的共模電壓。傳統(tǒng)儀表放大器由于其單端輸出和有限的共模范圍，在這類應(yīng)用場景中并不適用。然而，通過設(shè)計一個簡單的電路，可以將單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出，并擴展輸入共模范圍，使得低成本的儀表放大器也能滿足這些需求。

設(shè)計思路與實現(xiàn)

圖1展示了一個精密系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)允許用戶在存在高共模電壓的情況下準確地測量差分信號。此電路由三個主要部分組成：輸入緩沖器、ADC驅(qū)動器和基準電壓源。其中，緩沖器負責(zé)驅(qū)動儀表放大器的參考引腳，并將單端輸出轉(zhuǎn)換成差分輸出。這一設(shè)計顯著提高了輸入共模電壓范圍，能夠處理高達±270V的共模電壓（使用±15V電源），極大地增強了系統(tǒng)的魯棒性。

圖1

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差分輸出計算公式

這種配置確保了直流差分精度主要取決于AD629差動放大器和AD8421儀表放大器的質(zhì)量，而非運算放大器或外部電阻匹配，從而簡化了設(shè)計并提高了可靠性。

關(guān)鍵組件選擇與注意事項

為了獲得最佳交流性能，建議選用具有高帶寬和高壓擺率的運算放大器，例如ADA4807。需要注意的是，為了避免寄生電容導(dǎo)致不穩(wěn)定，連接至反相輸入端的走線應(yīng)盡可能短。如果必須延長走線，則應(yīng)選擇阻值較低的電阻來減少影響。

此外，高性能ADC通常采用5V單電源供電，并自帶基準電壓源，這不僅簡化了電路設(shè)計，還減少了對額外基準電壓的需求，進一步降低了成本和復(fù)雜度。

性能驗證與優(yōu)勢分析

根據(jù)圖2所示的測試結(jié)果，當兩個儀表放大器增益均為1時，輸入信號$V_{IN}$VIN是一個疊加在大共模電壓上的1Vpp 10kHz正弦波。最終得到的差分輸出電壓$V_{OUT\mathrm{\_}diff}$VOUT_diff為1Vpp，成功消除了共模干擾。實驗表明，相較于使用分立元件構(gòu)建的傳統(tǒng)儀表放大器，本方案中的集成儀表放大器憑借內(nèi)部精密激光微調(diào)電阻實現(xiàn)了更高的共模抑制比（CMR），達到了80dB以上。

圖2. 電路的性能：

頂部：兩個互補輸出

中間：帶有大共模信號的輸入電壓

底部：差分輸出

節(jié)能與效率

此電路特別適合功耗敏感的應(yīng)用場景，總靜態(tài)電流僅為5mA，采用5V雙電源供電時，整體功耗約為50mW，相比其他基于基本ADC驅(qū)動器的解決方案節(jié)省了大約50%的能耗。

總之，通過巧妙的設(shè)計，我們可以利用低成本儀表放大器構(gòu)建出適用于高共模電壓環(huán)境下的高性能差分信號測量系統(tǒng)，既保證了精度又兼顧了經(jīng)濟性和能效。這對于工程師來說，提供了一種高效且可行的方法來應(yīng)對復(fù)雜的工業(yè)級信號處理挑戰(zhàn)。