理想條件下，當(dāng)運(yùn)算放大器的差分輸入電壓為0時(shí)，運(yùn)算放大器的差分輸出電壓也應(yīng)該為零。但是由于電路存在失配，此時(shí)運(yùn)放的輸出不為0，則電路存在直流失調(diào)，定義為輸出電壓為0時(shí)的輸入電壓值。

現(xiàn)有消除直流失調(diào)基本有三種方式：交流耦合、開關(guān)電容、低通負(fù)反饋。

交流耦合是一種比較容易的實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)方式是前后兩級(jí)之間加耦合電容，第二級(jí)近輸入端加直流偏置電路，但是在信號(hào)頻率比較低時(shí)這種結(jié)構(gòu)需要極大的片上電容，難以片上實(shí)現(xiàn)。如圖1所示。

開關(guān)電容利用時(shí)鐘分時(shí)積分的方法消除直流失調(diào)，利用時(shí)鐘分時(shí)對(duì)開關(guān)電容采樣，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積分達(dá)到消除直流失調(diào)功能，但它引入一個(gè)時(shí)鐘在實(shí)際電路中需要增加一個(gè)電路把這個(gè)時(shí)鐘濾除，另外mos開關(guān)會(huì)存在時(shí)鐘饋通、電荷注入效應(yīng)，影響直流失調(diào)消除的精度。

低通負(fù)反饋是目前應(yīng)用非常廣泛的直流失調(diào)消除方式，其基本原理是在基帶反饋環(huán)路中加入一個(gè)低截止頻率的低通濾波器，低通濾波器用來(lái)對(duì)低頻率信號(hào)和直流信號(hào)進(jìn)行濾波衰減從而實(shí)現(xiàn)直流失調(diào)。這種結(jié)構(gòu)需要在反饋環(huán)路上使用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算放大器會(huì)不僅會(huì)帶來(lái)額外的功耗，而且對(duì)運(yùn)放要求較高，容易使得環(huán)路振蕩。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種消除直流失調(diào)電壓全差分運(yùn)算放大器電路，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電平的抑制，提高直流消除系統(tǒng)穩(wěn)定性。

想掌握差分放大電路，首先就要知道什么是差分放大電路以及它的作用。

差分放大電路是模擬集成運(yùn)算放大器輸入級(jí)所采用的的電路形式，差分放大電路是由對(duì)稱的兩個(gè)基本放大電路，通過(guò)射極公共電阻耦合構(gòu)成的，對(duì)稱的意思就是說(shuō)兩個(gè)三極管的特性都是一致的，電路參數(shù)一致，同時(shí)具有兩個(gè)輸入信號(hào)。

它的作用是能夠有效穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，同時(shí)具有抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)等顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測(cè)量電路輸入端。

差模放大電路特點(diǎn)：

電路兩邊對(duì)稱兩個(gè)管子公用發(fā)射機(jī)電阻Re具有兩個(gè)信號(hào)輸入端信號(hào)既可以雙端輸出，也可以單端輸出

共模信號(hào)：大小幅度相等極性相同的輸入信號(hào)。

差模信號(hào)：大小幅度相等極性相反的輸入信號(hào)。

差分放大電路具有抑制零漂移穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，和抑制共模信號(hào)等作用，接下來(lái)一一分析。

首先我們的電路的工作環(huán)境溫度并不是一成不變的，也就是說(shuō)是時(shí)刻變化著的，還有直流電源的波動(dòng)，元器件老化，特性發(fā)生變化都會(huì)引起零漂和靜態(tài)工作點(diǎn)變化。通常在阻容耦合放大電路中，前一級(jí)的輸出的變化的漂移電壓都落在耦合電容上，不會(huì)傳入下一級(jí)放大電路。

但在直接耦合放大電路中，這種漂移電壓和有用的信號(hào)一起送到下一級(jí)被放大，導(dǎo)致電路不能正常工作，所以要采取措施，抑制溫度漂移，雖然耦合電容可以隔離上一級(jí)溫漂電壓，但是很多時(shí)候我們要接受處理的是很多微弱的、變化緩慢的弱信號(hào)，這類信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，必須經(jīng)過(guò)放大。又不能通過(guò)耦合電容傳遞，所以必須通過(guò)直接耦合放大電路，那么直接耦合典型電路：就是差分放大電路。

通常克服溫漂的方法是引入直流負(fù)反饋，或者溫度補(bǔ)償。

接下來(lái)談?wù)勚苯玉詈想娐分?，差分放大電路如何抑制零漂電壓穩(wěn)定工作點(diǎn)，和抑制共模信號(hào)，并放大差分信號(hào)的。

全差分放大器 (FDA)是一種多用途的工具，它可以替代balun(或與它一同使用)的同時(shí)，并且提供多種優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的使用單端輸出的放大器相比，電路設(shè)計(jì)人員在使用由FDA實(shí)現(xiàn)的全差分信號(hào)處理頻譜分析儀時(shí)，能夠增加電路對(duì)外部噪聲的抗擾度，從而將動(dòng)態(tài)范圍加倍，并且減少偶次諧波。

如果想要在運(yùn)算放大器 (op amp)外部建立適當(dāng)增益，將總共需要使用8個(gè)電阻，這設(shè)計(jì)起來(lái)將會(huì)十分復(fù)雜?，F(xiàn)在，工程師只需要一半數(shù)量的電阻器和一個(gè)IC，就可以使用一個(gè)FDA來(lái)提供ADC的單端至差分接口和一個(gè)差分至差分接口。同時(shí)，這個(gè)IC無(wú)需balun便可以使得DC分量導(dǎo)通，這一點(diǎn)不同于提供DC隔離的balun。這個(gè)的關(guān)鍵點(diǎn)是在許多應(yīng)用中需DC和低頻的出色的頻率響應(yīng)。

基本上來(lái)說(shuō)，F(xiàn)DA是具有兩個(gè)放大器的器件。主差分放大器(從VIN至VOUT)由多個(gè)反饋路徑和Vocm誤差放大器組成，而Vocm誤差放大器更多情況下被稱為共模輸出放大器。

Vocm放大器在內(nèi)部采樣差分電壓(VOUT+和VOUT–)，并且將這個(gè)電壓與施加到VOCM引腳上的電壓相比較。通過(guò)一個(gè)內(nèi)部反饋環(huán)路，Vocm放大器將Vocm誤差放大器的“誤差”電壓(輸入引腳間的電壓)驅(qū)動(dòng)為0，這樣的話，VOUT_cm= Vocm。

如果VOCM引腳保持在懸空的狀態(tài)時(shí)，通常由一個(gè)內(nèi)部分壓器將偏置點(diǎn)的缺省值設(shè)定為VCC/2(電源間的中間位置)。(VOCM)引腳上的Vocm設(shè)置會(huì)影響到總體輸出擺幅(稍后討論)。這些特性不同于具有單端輸出的傳統(tǒng)運(yùn)算放大器。在傳統(tǒng)運(yùn)算放大器中，輸出共模電壓和單端輸出實(shí)際上是會(huì)影響到運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)范圍的同一信號(hào)。

在使用全差分放大器(FDA)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，存在一個(gè)常見(jiàn)的誤解。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常將單端雙極信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有 DC 偏移的差分信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)具有單正電源的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其配置類似于圖 1 所示的配置。

圖 1：FDA 驅(qū)動(dòng) ADC

在此示例中，單端 +/-1V 信號(hào)被轉(zhuǎn)換為增益為 -2 的差分信號(hào)并上移 1.5V 以驅(qū)動(dòng)單電源 ADC。

誤解是 FDA 必須有一個(gè)對(duì)稱的負(fù)電源，因?yàn)樗妮斎胂鄬?duì)于地是對(duì)稱的。然而，如果 FDA 可以接受低至其負(fù)供應(yīng)的輸入，則對(duì)稱負(fù)供應(yīng)是不必要的。您實(shí)際上可以將電路板接地用作 FDA 的負(fù)電源，如圖 2 所示。

圖 2：執(zhí)行單端到差分轉(zhuǎn)換的典型 FDA 電路

由于地面上的負(fù) FDA 供應(yīng)，F(xiàn)DA 的負(fù)輸出 Vout_neg 永遠(yuǎn)不會(huì)低于地面。由于 FDA 的正輸入 Vin_pos 只是由 Rg/(Rg+Rf) 衰減的 Vout_neg，因此 Vin_pos 永遠(yuǎn)不會(huì)低于地面。FDA 的高開環(huán)增益會(huì)在兩個(gè)輸入之間產(chǎn)生虛擬短路，從而確保 FDA 的負(fù)輸入 Vin_neg 永遠(yuǎn)不會(huì)低于地電位。

即使輸入信號(hào)是偽差分并以負(fù)電壓為參考，您仍然可以將地用作 FDA 的負(fù)電源。在圖 3 中，假設(shè) Vref = -0.1V，F(xiàn)DA 數(shù)據(jù)表中的最小 Vout 為 0.2V，Rf = 2Rg，增益為 -2：

圖 3：具有偽差分輸入的 FDA

FDA 正輸入 Vin_pos 的最小輸入公式如下：

FDA 輸入的虛擬短路確保 FDA 的輸入永遠(yuǎn)不會(huì)低于地面。

如果您設(shè)置 FDA 增益和 Vocm 以使最小 Vout_neg 高于 FDA 數(shù)據(jù)表中指定的作為最小輸出的值，則可以接受更低的 Vref 值。

最重要的是，在將單端或偽差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有正偏移的差分信號(hào)時(shí)，具有負(fù)軌輸入 (NRI) 的 FDA 可以節(jié)省負(fù) FDA 電源的費(fèi)用和電路板空間。請(qǐng)務(wù)必尋找 3V 和 5V 之間的單一 FDA 電源，并考慮使用高帶寬、低功耗 FDA，例如THS4521。