تبدیل سیگنال سینگل اندد(single-ended) به دیفرانسیلی(Differential)

سیگنال سینگلل اندد و دیفرانسیلی چیست؟

بسیار مهم است که بدانیم چه تفاوت هایی میان ورودی این دو سیگنال وجود دارد که می

تواند تاثیر زیادی در کیفیت داده های ما داشته باشد.

ورودی سینگل اندد با استفاده از اختلاف ولتاژ بین زمین و سیم ، قابل اندازه گیری است که این اختلاف پس از تقویت شدن در خروجی فراهم میشود.

ورودی های سینگل اندد از نویز هایی به عنوان سیم های حمل کننده الکتریکی رنج میبرد همچنین حلقه زمین روی سیگنال های ورودی سینگل اندد تاثیر منفی میگذارد.

ورودی های سینگل اندد بسیار به نویز حساس هستند همانطور که می دانیم نویز با سطح سیگنال رابطه دارد وقتی از ترنسدیوسر با ولتاژ خروجی بالا ( حسگر شتاب) استفاده میکنیم نویز EMF بر روی خروجی تاثیری نمی گذارد .

اما اگر از ولتاژ خروجی پایین استفاده کنیم (استرین گِیج) نویز تاثیر بسیاری بر روی خروجی خواهد گذاشت.

ورودی دیفرانسیلی ارتباطی به زمین ندارد .

اغلب ورودی دیفرانسلی با استفاده از 2 سیم حمل می شود ، یک سیم با سیگنال مثبت و یک سیم با سیگنال منفی.
همانطور که در شکل زیر می بیند سیگنال منفی و مثبت توسط کابل حمل می شود و EMF در کنار آن حرکت می کند.

ارزش خروجی تفاوت سیگنال در 2 سیم است .
خروجی ، نویز را حذف کرده و سیگنال مطلوب را دو برابر میکند و این به خاطر این است که سیگنالی که در سیم مثبت است مخالف سیگنالی است که در سیم منفی است که با کم کردن این دو باهم مقدار خروجی دو برابر خواهد شد.

سیگنال دیفرانسیل در مدارهایی که نسبت سیگنال به نویز بالا است (ایمنی بالا نسبت به نویز) مفید است و اعوجاج هارمونیک دوم پایین تر است مورد استفاده است، مانند ADC های با راندگی و کارایی بالا و تهیه سیگنال های صوتی بالا.

یک سیگنال آنالوگ سینگل اندد به سیگنال آنالوگ دیفرانسیل با استفاده از دو تقویت کننده عملیاتی قابل تبدیل شدن هست.

بهبود عملکرد با پشت سر هم قرار دادن یک آپ امپ OP1177 در حلقه فیدبک و آپ امپ AD8476 که دارای بهره دیفرانسیلی است ، که در شکل زیر می بینید.

با این حال در بسیاری از کاربرد ها رنج دینامیکی خروجی بالا باشد بهتر است ، از جمله در شرایط سیگنال خروجی سنسورها مانند دما و فشار.

قابلیت تنظیم حالت مشترک باعث میشود که مدار بسیار ساده شود و در تعامل با اکثر ADC ها مقیاس رنج رجوع را مشخص میکند.

اگر اتصالات امپلی فایر دیفرانسیلی درون حلقه از یک بیشتر شود باعث افزایش داینامیک رنج خروجی خواهد شد.

که مقدار خروجی از رابطه زیر قابل محاسبه است:

توجه داشته باشید V_REF  همیشه به خروجی OP1177 اضافه می شود که می توان میزان خروجی را محدود کرد.

بیشتر کاربرد V_REF  برای تنظیم در مرکز ساپلای برای ایجاد ماکزیمم رنج دینامیک خروجی است.

تقویت کننده دیفرانسیلی درون حلقه اتصال با افزایش بهره بیشتر از 1، مانند ADA4940 در شکل 2 ، ولتاژ خروجی A1 را با یک عامل بهره دیفرانسیلی A2 کاهش می دهد و به جلوگیری از اشباع خروجی A1 کمک می کند.

از آنجا که OP1177 داراي نوسانات خروجی معمولی با 4.1 ولت در 5±  ولت است، نوسان ولتاژ خروجی دیفرانسیل مدار در شکل 2 حدود 8 ± ولت در V_REF در صفر تنظیم شده است.

تنظیم A2 به روی بهره 3 باعث بهبود خروجی محدوده دینامیکی و دستیابی به حداکثر نوسان خروجی مدارمی شود.

تقویت کننده دیگر، ADA4950 با بهره های موجود 1، 2 و 3، ممکن است برای A2 مناسب باشد.

تبدبل سینگل اندد به دیفرانسیلی

خروجی قابل تنظیم حالت مشترک:

 الف) مدار را می توان تغییر داد تا حالت مشترک خروجی قابل تنظیم و مستقل از حالت مشترک سیگنال ورودی باشد.

این امر انعطاف پذیری و راحتی را برای کاربردهای سینگل اندد ارائه می دهد که در آن ورودی به زمین اشاره می شود و لازم است که به یک سیگنال دیفرانسیل با یک حالت مشترک بالا برای ADC متصل شود.

این را می توان با اضافه کردن دو مقاومت در ورودی(R1 و R2)، جایی که R2 به V_OCM متصل است ، ایجاد نمود .

ورودی  A1 تقویت کننده ، OP2177، تقویت کننده دوم را می توان به عنوان یک بافر برای ورودی با جریان بسیار کم استفاده کرد.

در مدار شکل 1، ورودی به V_REF مربوط می شود.

ب )  با اشاره به مدار در شکل 3a، ورودی مستقیما به زمین متصل شده و تبدیل به خروجی دیفرانسیلی می شود .

V_OCM اکنون می تواند تنظیم شود تا خروجی حالت مشترک را تغییر دهد، در حالی که ورودی متصل به زمین است.

V_OCM  اساسا به عنوان یک ورودی دیگر همراه با  V_IN عمل می کند.

مقادیر مقاومت باید انتخاب شود ، به طوری که با استفاده از برهمنهی، زمانی که V_IN صفر است، خروجی مجبور است به همان مقدار V_OCM باشد. و از آنجا که  V_OCM مقداری است که حالت خروجی را تنظیم می کند، خروجی دیفرانسیل صفر است.

اگر R1 = RG و R2 = RFباشد، ولتاژ خروجی توسط روابط زیر بدست می آید:

پهنای باند:

                                             Input and output plots, V_OP in red, V_ON in yellow, and input in blue.Common mode is at 0 V.Figure 3b.

1-این دو آمپلی فایر، یک خروجی دیفرانسیل ترکیبی در یک اتصال سرووسی ایجاد می کنند. OPP1177 / OP2177 به دست آوردن بهره حلقه باز و افزایش دیفرانسیل از ترکیب ADA4940 برای کل حلقه آزاد مدار است که پهنای باند کلی مدار را تعریف می کند.

2-قطب آنها برای تغییر فاز اضافی در حلقه ترکیب می شوند.

3-افزایش بیشتر برای A2 پهنای باند آن را کاهش می دهد و می تواند ثبات کلی مدار را تحت تاثیر قرار دهد.

4-طراح مدار بایستی پاسخ کلی فرکانس مدار را بررسی کند و نیاز به جبران را ارزیابی کند.

5-یک قاعده کلی این است که افزایش فرکانس آزاد بیش از فرکانس باید از افزایش واحد در 20- dB/decade راندن به منظور اطمینان از ثبات سیستم بازخورد عبور دهد.

6-این به ویژه در کاربردهایی با حداقل بهره که در آن حداکثر بهره حلقه است و دارای بدترین حاشیه فاز است، بسیار مهم است.

7-افزایش بهره کلی نیز با کاهش پهنای باند و افزایش حاشیه فاز حلقه، بازخورد پایداری را بهبود می بخشد.

از آنجا که بهره  حلقه کاهش می یابد، از بهره واحد در یک فرکانس پایین عبور می کند که از رابطه زیر محاسبه می شود:

عامل بازخورد بتا  در این ترم ½ است زیرا خروجی دیفرانسیل است و بازخورد تنها از یکی از خروجی های دیفرانسیل گرفته شده است.

ADA4940  دارای پهنای باند 50 مگاهرتز با بهره 2 است، در حالی که OP1177 دارای پهنای باند واحد حدود 4 مگاهرتز است.

مدار شکل 3a با پهنای باند حدود 1 مگاهرتز پایدار است ، این مدار توسط OP1177  و بهره حلقه بسته محدود شده است. همانطور که در مقاله قبلی ذکر شده است، زمانی که شرایط ثبات را نمی توان با استفاده از آمپلی فایر های مختلف دید، می توان از یک خازن محدود کننده پهنای باند مانند شکل a3 استفاده کرد.

خازن یک انتگرال با RF درون حلقه بازخورد را شکل می دهد و پهنای باند مدار کلی را به ظرفیت خازن و بازخورد مقاومت را می توان به عنوان پهنای باند کلی که توسط معادله بالا محدود می شود انتخاب کرد.

https://www.radiolocman.com/review/article.html?di=162645