答：随着对精度要求的不断提高，全差分信号链元件因出色的性能脱颖而出，而且其噪声抑制的主要优点可以被信号路由所利用。由于输出会拾取这种噪声，因此经常会出现误差并在信号链中进一步衰减。此外，差分信号的范围可以达到同一电源上单端信号的两倍。因此，全差分信号的信噪比(SNR)更高。传统的三运放仪表放大器有许多优点，包括共模信号抑制、高输入阻抗，以及精确（可调）的增益。但在需要全差分输出信号时，它就无能为力了。人们已经使用一些方法，用标准元件实现全差分仪表放大器。但它们有着各自的缺点。
图1：传统的仪表放大器。
一种技术是使用运算放大器驱动参考引脚，正输入为共模，负输入为将输出连接在一起的两个匹配电阻的中心。该配置使用仪表放大器输出作为正输出，运算放大器输出作为负输出。由于两个输出是不同的放大器，因此这些放大器之间动态性能的失配会极大地影响电路的整体性能。此外，两个电阻的匹配使输出共模随输出信号移动，可能导致失真。在该电路的设计中，选择放大器时必须考虑稳定性，并且运算放大器上可能需要一个反馈电容，用于限制电路的总带宽。最后，该电路的增益范围取决于仪表放大器。因此，不可能实现小于1的增益。
图2：使用外部运算放大器产生反相输出。
另一种技术是将两个仪表放大器与所交换的输入并联。与前一个电路相比，这种配置具有更好的匹配驱动电路和频率响应，但它不能实现小于2的增益。该电路还需要精密的匹配增益电阻，以获得纯差分信号。与先前的架构一样，这些电阻的失配会导致输出共模电平变化。
图3：使用第二仪表放大器产生反相输出。
这两种方法在实现增益及匹配元件的要求方面存在限制。
如图4所示，通过交叉连接两个仪表放大器并使用单个增益电阻，这种新电路可提供具有精密增益或衰减的全差分输出。通过将两个参考引脚连接在一起，用户可以根据需要调整输出共模。
图4：交叉连接技术——产生差分仪表放大器输出的解决方案。
In_A的增益由以下等式推出。由于输入电压出现在仪表放大器2的输入缓冲器的正端子上，而电阻R2和R3另一端的电压为0V，因此这些缓冲器的增益遵循同相运算放大器配置公式。同样，对于仪表放大器1的输入缓冲器，增益遵循反相运算放大器配置。由于差分放大器中的所有电阻都匹配，因此缓冲器输出的增益为1。
图5：仪表放大器内部的匹配电阻是交叉连接技术的关键。
根据对称性原则，如果在In_B施加电压V2且In_A接地，则结果如下：
将这两个结果相加得到电路的增益。
增益电阻R3和R2设定电路的增益，并且只需要一个电阻来实现全差分信号。正/负输出取决于安装的电阻。不安装R3将导致增益公式中的第二项为零。由此可得，增益为2×R1/R2。不安装R2会导致增益公式中的第一项为零。由此可得，增益为-2×R1/R3。需要注意的是增益纯粹是一个比率，因此可以实现小于1的增益。请记住，由于R2和R3对增益有相反的影响，所以，使用两个增益电阻会使第一级增益高于输出增益。如果在选择电阻值时不小心，会加大第一级运算放大器在输出端引起的偏差。
为了演示这个电路的实际运用情况，我们把两个AD8221仪表放大器连接起来。数据手册列出R1为24.7kΩ，因此当R2为49.4kΩ时，可实现等于1的增益。
CH1是In_A的输入信号，CH2是VOUT_A，CH3是VOUT_B。输出A和B匹配且反相，差值在幅度上等于输入信号。
图6：使用交叉连接技术产生差分仪表放大器输出信号，增益=1时的测量结果。
接下来，将49.4kΩ增益电阻从R2移至R3，电路的新增益为-1。现在Out_A与输入反相，输出之间的差值在幅度上等于输入信号。
图7：使用交叉连接技术产生差分仪表放大器输出信号，增益=-1时的测量结果。
如前所述，其它技术的一个限制是无法实现衰减。根据增益公式，使用R2=98.8kΩ，电路会使输入信号衰减两倍。
图8：使用交叉连接技术产生差分仪表放大器输出信号，增益=1/2时的测量结果。
最后，为了显示高增益，选择R2=494Ω以实现G=100。
图9：使用交叉连接技术产生差分仪表放大器输出信号，增益=100时的测量结果。
该电路的性能表现符合增益公式的描述。为了获得最佳性能，使用此电路时应采取一些预防措施。增益电阻的精度和漂移会增加仪表放大器的增益误差，因此要根据误差要求选择合适的容差。由于仪表放大器Rg引脚上的电容可能导致较差的频率性能，因此如果需要高频性能，应注意这些节点。此外，两个仪表放大器之间的温度失配会因失调漂移导致系统失调，因此在布局和加载方面要小心。使用双通道仪表放大器，如AD8222，有助于克服这些潜在的问题。
交叉连接技术可保持仪表放大器所需特性，同时提供附加功能。尽管本文讨论的所有示例都实现了差分输出，但在交叉连接电路中，输出的共模不会受电阻对失配的影响，与其它架构不同。因此，始终都能实现真正的差分输出。而且，如增益公式所示，差分信号衰减是可能存在的，这样就不必采用漏斗放大器，而从前这是必不可少的。最后，输出的极性由增益电阻的位置决定（使用R2或R3），为用户增加了更多的灵活性。
（原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站，参考链接：A New Spin on a Classic Architecture: Achieving a Fully Differential Output Using Single-Ended Instrumentation Amplifiers）
本文为《电子技术设计》2019年5月刊杂志文章。
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