探究应用于电机驱动的隔离运放单端和差分输出对采样性能的影响

探究应用于电机驱动的隔离运放单端和差分输出对采样性能的影响

Other Parts Discussed in Post:AMC1200, AMC1300, AMC1301, AMC1311

图1 电机驱动器电压电流采样

下图所示，是使用隔离运放来进行相电流采样的常见结构和内部原理图。

图2 相电流采样的常见结构

表1 应用于电机驱动系统的隔离运放明星产品

隔离运放单端和差分输出对采样性能的影响：

我们以AMC1311为例来探讨这个问题。

图3 AMC1311的TINA仿真模型参考电路

输入采样量Vin=0~2V正弦，输出波形如下图4，

Outp: 1.44~2.44V, ΔVpp_p=1V

Outn: 0.44~1.44V, ΔVpp_n=1V

Out: 0~2V, ΔVpp=2V

Outp和Outn的波形以1.44V呈镜像。

图4 AMC1311的pspice仿真输出波形

如果将Outn悬空或通过电阻接地（注意，输出脚不可以直接接地，接地电阻建议10kΩ），将Outp直接接入后级单端输入ADC里。带来的影响：

共模输出电压Vcmout误差的影响

从AMC1311数据手册得知：Vcmout=1.44±50mV。若差分结构输出，Outn与Outp因为互呈镜像，两者相减得到Out，Vcmout的50mV的误差可以认为相互抵消，忽略不记。但是单端结构则不然。这个±50mV会带来原始的Vos误差。对于单端结构，当输入脚短接，Out的值理论上为1.44V，如果不是， 那么需要进一步的校准，校准工作一般在MCU的算法中进行。

对后级ADC的SNR的影响

SNR(signal to noise ratio)是重要的AC指标，影响ADC的有效位数ENOB，理想公式为：

而SNR的公式定义如下：

图5 SNR定义

单端输出的交流幅值是差分输出的一半，所以如果采用单端结构，那么SNR指标会变差，进而影响ADC有效位数。所以，相较于差分输出结构，单端输出结构对于运放输出范围和后级ADC输入范围的利用率仅为一半，会带来对于Vos以及SNR指标的不良影响。客户在采用这种结构时，需要考虑这些不良影响。

隔离运放输出单端转差分输出方案推荐

通过添加后级运放可以在实现差分转单端的同时进行信号调理可以完美适配后级ADC的输入要求，解决上述问题。图6所示是示意电路，设计详情可以参考TI的技术文章sbaa229：Interfacing a Differential-Output (Isolated) Amplifier to a Single-Ended Input ADC。

图6 差分转单端外部电路

对于提供内置差分输入ADC的MCU，比如C2000系列的TMS320F2837x同时提供16bit差分输入的ADC通道和12bit单端输入的ADC通道，可以为信号处理提供更多自由度。如果想要追求更高的精度，可以免去中间电路，直接将差分运放的输出接到对应的差分输入ADC模块，同时获得更好的精度和信噪比。如图7：

图7 AMC1311和TMS320F283777S电路示意图

本文介绍在应用电机驱动器中，采用隔离运放的系统架构和TI明星产品。涉及了相关电路设计和外部信号调理与MCU的配合。结合后级ADC，深入讨论了隔离运放单端结构输出和差分结构输出对整体采样性能的影响，提供了相应的分析和建议。

总结来说，如果采用内置差分输入ADC的MCU，比如C2000系列的TMS320F2837x，可以免去中间电路，直接将差分运放的输出接到对应的差分输入ADC模块，同时获得更好的精度和信噪比；如果采用内置单端输入ADC的MCU，添加一颗简单运放比如TLV6001，可以在实现差分转单端的同时进行信号调理可以更加完美地适配后级ADC的输入要求。如果想要省去额外调理运放，可以采用一端电阻接地，但需要考虑对于采样准确度和信噪比的不良影响。