[发明专利]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

说明书

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系统的前置放大器，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(V_AN)的中点电位V_ref，这样势必由于V_N的电位被固定，V_OUT＝V_P-V_N只能输出±1/2V_AN；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，V_OUT＝V_P-V_N＝±V_AN，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。