高速差分探头在应用中的设计与研究

杨晓杰+王俊力+张诗羽+黄继业

摘 要： 分析了对带宽要求较高的全差分放大器LMH6551MA和3个高速运放LMH6703组合而成的差分探头电路，由于LMH6551MA是一款带宽较大的电压反馈型放大器，所以可用于差分信号源的组成。3个LMH6703构成电压增益可由外部电阻自由控制在1～10之间的仪表放大器。最后再通过一个基于LMH6703的二阶低通滤波器在20 MHz频率范围内得到一个失真较小的原始信号。差分信号源中单端转双端放大器的设计要进行阻抗匹配，而仪表放大器在得到电路放大倍数的同时能有效抑制共模信号。

关键词： 仪表放大器； LMH6551MA； LMH6703； 差分探头

中图分类号： TN22.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）16?0115?03

The Design and Research of High?speed Differential Probe in the application

YANG Xiaojie， WANG Junli， ZHANG Shiyu， HUANG Jiye

（Schools of Electronics Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou Zhejiang 310018， China）

Abstract： The system is based on LMH6551MA， a fully differential amplifier of high bandwidth requirements， and differential probe circuit， a combination of three high?speed operational amplifier LMH6703.Since LMH6551MA is a type of voltage feedback amplifier with high bandwidth， so it can be used for the differential signal source. Three LMH6703 can constitute the instrumentation amplifier that the voltage gain can be controlled by external resistance from 1 ～ 10. Finally， through a second?order low?pass filter based on LMH6703 can get a less distortion of the original signal in 20 M frequency range. The design for single?ended to dual amplifier in differential signal source should do the impedance matching， and the instrumentation amplifier can get circuit magnification， in the meantime， the instrumentation amplifier can effectively suppress the common mode signal.

Key words： instrumentation amplifier； LMH6551MA；LMH6703； differential probe

随着现代电子技术的快速发展，高速差分探头广泛地应用于电力、通信等现代化领域。它常常用于示波器上测量差分信号[1]，差分信号是相互参考的信号，不是以地作为参考的信号。虽然普通的单端探头也可以测量差分信号，但是得到的信号与实际信号的误差很大，所以在测量差分信号时往往要用差分探头更为精确。为此，这里以美国国家半导体公司的高速运放LMH6703为核心，设计了一种带宽较大，性能较好的差分探头，在20 MHz频率范围内的频响特性较好。并且还自主设计了单端转双端的差模信号源用于检验差分探头的性能。该系统实用性强，具有很重要的现实意义。

1 方案论证与比较

1.1 差模信号源放大器选择

本系统要求差模信号源单端输入，差分输出，故可以采用全差分放大器。而现在有两款全差分放大器，分别是LMH6551MA和THS4503。又因为本系统对带宽要求较苛刻，而LMH6551MA具有50 MHz 0.1 dB Bandwidth，所以选择LMH6551MA。

1.2 差分探头放大器选择

方案一：本系统要求差分探头差分输入，单端输出，VCA822是一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，差分输入的最大频率为150 MHz。电压增益可以由芯片的一个引脚上的电压决定，当G=10，5Vpp全功率输出时，带宽仍能有137 MHz。但是本系统要求单个输入电压范围可达±4 V，而VCA822的输入电压范围在-2.1～1.6 V之间。

方案二：本系统要求差分探头差分输入，单端输出，所以可以采用由3个高速运放LMH6703组成的仪表放大器电路。该仪表放大器输入阻抗高，而且增益可由外部电阻自由控制，本系统只要求电压增益为1和10，所以通过仪表放大器电路可以很容易的实现。

综合考虑本文选择方案二。

2 理论分析与计算

2.1 单端转双端放大器设计

此电路需要注意和信号源阻抗的匹配和差分信号的平衡，可以利用公式[Rin=RG11-K21+K]计算出输入阻抗，进而可以求出匹配电阻[2]。全差分放大电路在TINA的仿真图如图1所示。endprint

图1 全差分放大器在TINA的仿真图

2.2 增益调整和共模抑制

根据仪表放大器[3]差模增益公式：[Ad=R4R31+R2R1]可以得到电路的放大倍数，同时共模增益[Acm=0]，所以仪表放大器能有效抑制共模信号[4]。仪表放大器在TINA的仿真图如图2所示。

图2 仪表放大器在TINA的仿真图

3 电路与程序设计

3.1 系统设计框图

系统设计框图如图3所示。

图3 系统设计框图

3.2 差模信号源模块

图4为差模信号源的实际电路图，通过滑动变阻器可以改变输出直流偏置电压[5]。

图4 差模信号源实际电路

3.3 差分探头模块

差分输出信号（VA，VB）通过差分输入端（VC，VD）进入，经过由3个LMH6703运放组成的仪表放大器差分输入及放大倍数控制，再通过一个二阶低通滤波器[6]，得到输出信号。差分探头实际电路如图5所示。

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

用信号发生器输出正弦波VIN输入到差模信号源信号输入端，双端差分输出差模信号VA，VB对称，无明显失真，且差模信号源放大倍数为2，即[VA-VBVin]=2，则证明信号源正常工作；将自制差模信号源差分输出端VA，VB接到差分探头电路差分输入端VC，VD，信号输出端VE输出范围在±4 V，探头增益手动可调为1或10倍（即（[VEVC-VD]=1或者10），则探头为正常工作；若自制差分信号源和探头均正常工作，则系统测试正常。

4.2 测试结果分析

（1） 输入正弦波电压：VPP=4 V；差分探头增益设为1，各个频率下的输出电压如表1所示。

表1 增益为1时幅频特性

由表1可知：本设计在20 MHz频率范围内的频响特性较好，达到系统要求。

（2） 测试结果完整性

增益为10倍，调节输入的频率，当带内起伏不大于1 dB时，输入的最大频率为17 MHz左右。

当Vin接地时，VE输出的幅值为12.6～14.4，VE的直流偏置大约为600 mV。

调节VA，VB上输出的直流分量，绝对值可以达到2 V，并且VE输出幅值几乎没有变化，没有失真。

增益为1倍时，在指定范围内改变Vin的频率和幅值，输出信号没有失真。

由此可以得出结论：差模信号源与差分探头基本达到要求，并且误差较小，可以检测一般输入信号。

5 结 语

本设计是由差模信源电路和差分探头电路两部分组成，差模信源电路单端输入双端输出，用于提供差分信号，差分探头电路双端输入单端输出，差分探头电路在20 MHz频率范围内有较好的幅频特性。从测试结果来看，验证了该系统的可行性和实用性。

参考文献

[1] 周志敏.共模和差模信号与滤波器[J].电源技术应用，2001（8）：380?381.

[2] 田亚鹏，张昌民，仲维伟.阻抗匹配电路原理与应用[J].电子科技，2012（1）：5?7.

[3] 崔利平.仪表放大器电路设计[J].现代电子技术，2009，32（11）：87?89.

[4] 黄晓宗，黄文刚，刘伦才.运算放大器共模抑制比的仿真与测试[J].微电子学，2012（2）：44?46.

[5] 塞德雷，史密斯.微电子电路[M].北京：电子工业出版社，2006.

[6] 李永安.Sallen?Key二阶低通滤波器的OTRA实现[J].电子工程师，2005（10）：28?29.