全差分放大器消除直流失调的基本方式

理想条件下，当运算放大器的差分输入电压为0时，运算放大器的差分输出电压也应该为零。但是由于电路存在失配，此时运放的输出不为0，则电路存在直流失调，定义为输出电压为0时的输入电压值。

现有消除直流失调基本有三种方式：交流耦合、开关电容、低通负反馈。

交流耦合是一种比较容易的实现方式，实现方式是前后两级之间加耦合电容，第二级近输入端加直流偏置电路，但是在信号频率比较低时这种结构需要极大的片上电容，难以片上实现。如图1所示。

开关电容利用时钟分时积分的方法消除直流失调，利用时钟分时对开关电容采样，通过长时间积分达到消除直流失调功能，但它引入一个时钟在实际电路中需要增加一个电路把这个时钟滤除，另外mos开关会存在时钟馈通、电荷注入效应，影响直流失调消除的精度。

低通负反馈是目前应用非常广泛的直流失调消除方式，其基本原理是在基带反馈环路中加入一个低截止频率的低通滤波器，低通滤波器用来对低频率信号和直流信号进行滤波衰减从而实现直流失调。这种结构需要在反馈环路上使用运算放大器来实现，运算放大器会不仅会带来额外的功耗，而且对运放要求较高，容易使得环路振荡。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种消除直流失调电压全差分运算放大器电路，方便实现对直流电平的抑制，提高直流消除系统稳定性。

想掌握差分放大电路，首先就要知道什么是差分放大电路以及它的作用。

差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的的电路形式，差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的，对称的意思就是说两个三极管的特性都是一致的，电路参数一致，同时具有两个输入信号。

它的作用是能够有效稳定静态工作点，同时具有抑制共模信号，放大差模信号等显著特点，广泛应用于直接耦合电路和测量电路输入端。

差模放大电路特点：

电路两边对称两个管子公用发射机电阻Re具有两个信号输入端信号既可以双端输出，也可以单端输出

共模信号：大小幅度相等极性相同的输入信号。

差模信号：大小幅度相等极性相反的输入信号。

差分放大电路具有抑制零漂移稳定静态工作点，和抑制共模信号等作用，接下来一一分析。

首先我们的电路的工作环境温度并不是一成不变的，也就是说是时刻变化着的，还有直流电源的波动，元器件老化，特性发生变化都会引起零漂和静态工作点变化。通常在阻容耦合放大电路中，前一级的输出的变化的漂移电压都落在耦合电容上，不会传入下一级放大电路。

但在直接耦合放大电路中，这种漂移电压和有用的信号一起送到下一级被放大，导致电路不能正常工作，所以要采取措施，抑制温度漂移，虽然耦合电容可以隔离上一级温漂电压，但是很多时候我们要接受处理的是很多微弱的、变化缓慢的弱信号，这类信号不足以驱动负载，必须经过放大。又不能通过耦合电容传递，所以必须通过直接耦合放大电路，那么直接耦合典型电路：就是差分放大电路。

通常克服温漂的方法是引入直流负反馈，或者温度补偿。

接下来谈谈直接耦合电路中，差分放大电路如何抑制零漂电压稳定工作点，和抑制共模信号，并放大差分信号的。

全差分放大器 (FDA)是一种多用途的工具，它可以替代balun(或与它一同使用)的同时，并且提供多种优点。与传统的使用单端输出的放大器相比，电路设计人员在使用由FDA实现的全差分信号处理频谱分析仪时，能够增加电路对外部噪声的抗扰度，从而将动态范围加倍，并且减少偶次谐波。

如果想要在运算放大器 (op amp)外部建立适当增益，将总共需要使用8个电阻，这设计起来将会十分复杂。现在，工程师只需要一半数量的电阻器和一个IC，就可以使用一个FDA来提供ADC的单端至差分接口和一个差分至差分接口。同时，这个IC无需balun便可以使得DC分量导通，这一点不同于提供DC隔离的balun。这个的关键点是在许多应用中需DC和低频的出色的频率响应。

基本上来说，FDA是具有两个放大器的器件。主差分放大器(从VIN至VOUT)由多个反馈路径和Vocm误差放大器组成，而Vocm误差放大器更多情况下被称为共模输出放大器。

Vocm放大器在内部采样差分电压(VOUT+和VOUT–)，并且将这个电压与施加到VOCM引脚上的电压相比较。通过一个内部反馈环路，Vocm放大器将Vocm误差放大器的“误差”电压(输入引脚间的电压)驱动为0，这样的话，VOUT_cm= Vocm。

如果VOCM引脚保持在悬空的状态时，通常由一个内部分压器将偏置点的缺省值设定为VCC/2(电源间的中间位置)。(VOCM)引脚上的Vocm设置会影响到总体输出摆幅(稍后讨论)。这些特性不同于具有单端输出的传统运算放大器。在传统运算放大器中，输出共模电压和单端输出实际上是会影响到运算放大器的动态范围的同一信号。

在使用全差分放大器(FDA)进行设计时，存在一个常见的误解。设计人员经常将单端双极信号转换为具有 DC 偏移的差分信号，以驱动具有单正电源的模数转换器(ADC)，其配置类似于图 1 所示的配置。

图 1：FDA 驱动 ADC

在此示例中，单端 +/-1V 信号被转换为增益为 -2 的差分信号并上移 1.5V 以驱动单电源 ADC。

误解是 FDA 必须有一个对称的负电源，因为它的输入相对于地是对称的。然而，如果 FDA 可以接受低至其负供应的输入，则对称负供应是不必要的。您实际上可以将电路板接地用作 FDA 的负电源，如图 2 所示。

图 2：执行单端到差分转换的典型 FDA 电路

由于地面上的负 FDA 供应，FDA 的负输出 Vout_neg 永远不会低于地面。由于 FDA 的正输入 Vin_pos 只是由 Rg/(Rg+Rf) 衰减的 Vout_neg，因此 Vin_pos 永远不会低于地面。FDA 的高开环增益会在两个输入之间产生虚拟短路，从而确保 FDA 的负输入 Vin_neg 永远不会低于地电位。

即使输入信号是伪差分并以负电压为参考，您仍然可以将地用作 FDA 的负电源。在图 3 中，假设 Vref = -0.1V，FDA 数据表中的最小 Vout 为 0.2V，Rf = 2Rg，增益为 -2：

图 3：具有伪差分输入的 FDA

FDA 正输入 Vin_pos 的最小输入公式如下：

FDA 输入的虚拟短路确保 FDA 的输入永远不会低于地面。

如果您设置 FDA 增益和 Vocm 以使最小 Vout_neg 高于 FDA 数据表中指定的作为最小输出的值，则可以接受更低的 Vref 值。

最重要的是，在将单端或伪差分信号转换为具有正偏移的差分信号时，具有负轨输入 (NRI) 的 FDA 可以节省负 FDA 电源的费用和电路板空间。请务必寻找 3V 和 5V 之间的单一 FDA 电源，并考虑使用高带宽、低功耗 FDA，例如THS4521。