带可调输出共模的多功能、精密单端转差分电路：提升系统动态范围的新途径

在现代电子系统中，差分信号因其卓越的抗噪声能力、高信噪比和低二次谐波失真特性，在高性能ADC驱动、高保真音频信号处理等领域得到了广泛应用。然而，传统的单端信号输入方式往往难以满足这些高精度需求。为了克服这一挑战，研究人员开发了带可调输出共模的多功能、精密单端转差分电路，该电路不仅实现了单端信号到差分信号的转换，还通过调节输出共模电压，显著提升了系统的动态范围。本文将深入探讨这种电路的工作原理、优势及其在实际应用中的表现。

引言

差分信号通过两条互补的信号线传输信号，具有天然的抗共模噪声能力。在电子系统中，特别是在需要高精度和高稳定性的场合，差分信号的应用显得尤为重要。然而，许多传感器和其他信号源产生的信号是单端的，这就需要一种有效的转换机制将这些单端信号转换为差分信号。同时，为了与各种ADC接口兼容，并优化系统的动态范围，输出共模电压的可调性也成为了一个关键需求。

带可调输出共模的单端转差分电路工作原理

电路组成

带可调输出共模的单端转差分电路通常由两个主要部分组成：一个精密的单端至差分转换器和一个可调节输出共模电压的电路。其中，单端至差分转换器负责将单端输入信号转换为差分输出信号，而输出共模调节电路则通过调整电路参数来改变差分输出的共模电压。

转换器设计

在转换器设计中，常采用高性能的运算放大器(如OP1177)和差分放大器(如ADA4940)来实现单端至差分的转换。通过级联这些放大器，并在反馈环路中引入适当的增益，可以显著提高转换器的性能。例如，在《模拟对话》上介绍的一种改进型单端至差分转换器中，OP1177与差分增益为1的AD8476级联，实现了高输入阻抗、低输入偏置电流和低失调电压等优异性能。

输出共模调节

为了调节输出共模电压，电路设计者可以在差分放大器的输入端或输出端引入额外的电阻和电压源。通过调整这些元件的值，可以灵活地设置差分输出的共模电压，以适应不同的ADC接口需求。此外，一些先进的电路还允许通过软件或外部控制信号来动态调整输出共模电压，从而进一步提高系统的灵活性和适应性。

电路优势

提升系统动态范围

通过调节输出共模电压，带可调输出共模的单端转差分电路能够显著提升系统的动态范围。当差分放大器的增益大于1时，电路的输出动态范围会相应增加。例如，在图2所示的电路中，当ADA4940的增益设置为2时，电路的差分输出电压摆幅可达±8V(在±5V电源下)，从而显著提高了系统的动态范围。

提高信噪比和抗噪声能力

差分信号天然的抗共模噪声能力使得该电路在噪声敏感的应用中表现出色。通过优化差分放大器的增益和输出共模电压的设置，可以进一步降低噪声干扰，提高信号的信噪比。这对于需要高精度测量的应用来说尤为重要。

灵活性和兼容性

带可调输出共模的单端转差分电路还具有良好的灵活性和兼容性。通过调整输出共模电压和差分增益等参数，该电路可以轻松地与各种ADC接口兼容，满足不同应用的需求。此外，该电路还支持多种输入信号类型(如单端、差分等)，进一步提高了其通用性和实用性。

应用实例

高性能ADC驱动

在高性能ADC驱动应用中，带可调输出共模的单端转差分电路能够显著提高ADC的采样精度和稳定性。通过优化差分放大器的增益和输出共模电压的设置，可以确保ADC的输入信号满足其最佳工作条件，从而提高整个系统的性能。

高保真音频信号处理

在高保真音频信号处理中，差分信号的应用同样重要。带可调输出共模的单端转差分电路能够将音频信号转换为差分信号，并通过调节输出共模电压来优化音频信号的传输质量。这有助于减少音频信号在传输过程中的失真和噪声干扰，提高音频信号的保真度和清晰度。

结论

带可调输出共模的多功能、精密单端转差分电路是一种高效、灵活的信号转换方案。通过优化差分放大器的增益和输出共模电压的设置，该电路能够显著提升系统的动态范围、信噪比和抗噪声能力。同时，其良好的灵活性和兼容性也使得该电路在高性能ADC驱动、高保真音频信号处理等领域得到了广泛应用。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，我们有理由相信这种电路将在未来发挥更加重要的作用。