差动放大器支持低功耗、高性能绝对值电路

作者：Moshe Gerstenhaber and Reem Malik

精密半波和全波整流器传统上采用精心挑选的元件构建，包括高速运算放大器、快速二极管和精密电阻器。高元件数量使得该解决方案价格昂贵，并且存在元件之间的交越失真和温度漂移变化。

本文介绍如何配置双通道差动放大器（无需外部元件），以提供精密绝对值输出。与传统方法相比，这种创新方法可以实现更好的精度、更低的成本和更低的功耗。

差动放大器1包括一个运算放大器和四个配置为减法器的电阻，如图1所示。低成本单芯片差动放大器采用激光晶圆调整电阻，提供非常高的增益精度、低失调、低失调漂移、高共模抑制以及比分立式替代方案更好的整体性能。

图1.差动放大器。

传统绝对值电路

图2所示为常用全波整流电路的原理图。为了实现高性能，该设计依赖于两个快速运算放大器和五个精密电阻。当输入信号为正时，A1的输出为负，因此D1反向偏置。D2正向偏置，闭合围绕A1至R2的反馈环路，形成反相放大器。A2将A1的输出乘以−2的增益与输入信号乘以−1的增益相加，得到+1的净增益。当输入信号为负时，D1正向偏置，闭合A1周围的反馈环路。D2 反向偏置且不导通。A2反转输入信号，产生正输出。因此，A2的输出是一个正电压，代表输入的绝对值，无论是正的还是负的。

图 2.教科书全波整流器。2, 3

这种设计有几个固有的性能和系统缺点，包括成本、交越失真、增益误差和噪声。该设计需要双电源和许多高性能组件，进一步增加了成本和复杂性。响应时间可能很长，因为A1的输出必须从–V摆动是至 +V是当输入信号从 0 V + ΔV 交叉到 0 V – ∆V 时。高速运算放大器和二极管可以帮助缓解这一问题，但代价是功耗增加。绝对值输出的增益精度由R1、R2、R3、R4和R5的匹配决定。即使单个电阻失配少量，正绝对值和负绝对值峰值之间也会产生很大的误差。总噪声增益为6，放大了运算放大器噪声、失调和漂移的影响。

改进的绝对值电路

图3所示为更简单、更有效的绝对值电路，仅需一个AD82774双通道差动放大器和单正电源。当输入信号为正时，A1充当电压跟随器。A2的两个输入与输入信号的电位相同，因此A2只是将正信号传递到输出。当输入信号为负时，A1的输出为0 V，A2反相输入信号。总体结果是输入信号的绝对值。高达 ±10 V 的信号可以在高达 10 kHz 的频率下进行整流。如果要整流的信号非常小，则每个运算放大器输出端的下拉电阻可以改善0 V左右的电路性能。

图3.采用AD8277的单电源绝对值电路

该电路的功能虽然看似简单，但之所以能够实现，是因为AD8277具有出色的输入和输出特性，并且能够采用单电源供电。与大多数采用单电源供电的运算放大器不同，差动放大器的输入可以驱动到0 V以下。这允许A1的输入接受负输入信号，同时保持0 V输出。输入端集成ESD二极管可提供额外的鲁棒过压保护。图4显示了20 kHz时1 V p-p输入信号的输入和输出波形及特性。

图4.（a） 20 kHz 时 1V p-p 输入信号的输出和输入。（b） 产出与投入特性。

这种改进的绝对值电路克服了传统整流器设计的许多限制，并提供了意想不到的价值。最引人注目的是所需组件的数量减少：只需要一个设备。消除外部二极管也消除了交越失真。激光晶圆调整电阻精确匹配，保证增益误差小于0.02%。该电路的噪声增益仅为2，从而降低了噪声，并降低了失调和漂移。AD2采用36 V至8277 V单电源供电，静态电流消耗不到400 μA。

结论

与传统设计相比，采用单个双通道差动放大器构建的精密全波整流器具有多种优势。值得注意的是，无需高性能外部组件和双电源，从而大大降低了成本并降低了复杂性。差动放大器解决方案没有交越恢复问题，并针对宽温度范围内的低漂移进行了优化。利用AD8277，可以使用单个IC以低功耗和低成本实现高精度绝对值电路。

审核编辑：郭婷