高壓模擬差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)：電路方案與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在高壓場(chǎng)景下，模擬差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)的核心需求是抑制共模干擾、耐受高壓共模電壓，同時(shí)完成差分信號(hào)的幅值提取與單端轉(zhuǎn)換，常用方案分為無(wú)源轉(zhuǎn)換和有源轉(zhuǎn)換兩類(lèi)，具體選擇需結(jié)合共模電壓范圍、信號(hào)帶寬、精度要求。

一、 核心概念鋪墊

差分信號(hào)：由一對(duì)幅值相等、極性相反的信號(hào)組成，有效信號(hào)為差分電壓 ，抗干擾能力強(qiáng)。

單端信號(hào)：以地為參考點(diǎn)的信號(hào)，輸出為 VOUT，便于直接接入 ADC、運(yùn)放等單端輸入器件。

高壓場(chǎng)景關(guān)鍵指標(biāo)

共模電壓：差分對(duì)兩端相對(duì)于地的平均電壓，高壓場(chǎng)景下可達(dá)幾十～幾百 V。

共模抑制比（CMRR）：衡量電路抑制共模干擾的能力，數(shù)值越大越好。

二、 無(wú)源轉(zhuǎn)換方案（低成本、低精度）

適用于共模電壓不極高、信號(hào)帶寬適中、精度要求低的場(chǎng)景，核心器件為精密電阻網(wǎng)絡(luò)。

1. 基本電路：差分電阻分壓轉(zhuǎn)單端

電路結(jié)構(gòu)：

關(guān)鍵要求：需保證 R1=R2、Rf=Rg（匹配電阻），否則會(huì)降低 CMRR。

高壓適配：通過(guò)選擇高壓電阻（耐壓 > 共模電壓），可承受較高共模電壓，但分壓后信號(hào)幅值會(huì)衰減，且無(wú)信號(hào)放大能力。

缺點(diǎn)：抗干擾能力弱，CMRR 依賴(lài)電阻匹配精度，無(wú)隔離能力。

2. 隔離型無(wú)源方案：脈沖變壓器

適用場(chǎng)景：高頻差分信號(hào)（如 MHz 級(jí)）、需電氣隔離的高壓場(chǎng)景。

原理：利用變壓器的互感效應(yīng)，將差分信號(hào)的變化量耦合到次級(jí)，再轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。

優(yōu)點(diǎn)：電氣隔離，可耐受 kV 級(jí)共模電壓；高頻特性好。

缺點(diǎn)：無(wú)法傳輸直流或低頻信號(hào)；信號(hào)幅值受變比限制，存在失真。

三、 有源轉(zhuǎn)換方案（高精度、高 CMRR）

適用于高壓共模、高精度、寬帶寬需求的場(chǎng)景，核心器件為高壓差分運(yùn)放或隔離放大器。

1. 高壓差分運(yùn)放直接轉(zhuǎn)換

核心器件：專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的高壓差分運(yùn)放（如 TI 的 INA149、ADI 的 AD8475），其輸入級(jí)可耐受幾十～幾百 V 的共模電壓。

電路結(jié)構(gòu)：典型差分放大電路，配置反饋電阻 Rf和增益電阻 Rg，增益 。

輸出公式：。

優(yōu)勢(shì)：

• 高 CMRR（通常 > 80dB），抗共模干擾能力強(qiáng)；

• 可直接放大差分信號(hào)，無(wú)需額外分壓；

• 支持直流～低頻信號(hào)，精度高。

注意事項(xiàng)：運(yùn)放的共模電壓范圍（CMVR）必須大于實(shí)際應(yīng)用的共模電壓，否則會(huì)導(dǎo)致器件損壞或信號(hào)失真。

2. 隔離型差分放大器轉(zhuǎn)換

適用場(chǎng)景：共模電壓極高（如 kV 級(jí)）、需電氣隔離的場(chǎng)景（如高壓電力監(jiān)測(cè)、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)）。

核心器件：隔離差分放大器（如 ADI 的 AD215、TI 的 ISO124），內(nèi)部集成隔離屏障（光電隔離或電容隔離），將輸入高壓側(cè)與輸出低壓側(cè)完全隔離。

工作原理：

輸入級(jí)：高壓差分信號(hào)經(jīng)差分放大后，轉(zhuǎn)換為與差分電壓成正比的調(diào)制信號(hào)；

隔離級(jí)：通過(guò)光電 / 電容隔離，將調(diào)制信號(hào)傳輸?shù)降蛪簜?cè)；

輸出級(jí)：解調(diào)并還原為單端信號(hào)，可直接接入后端電路。

優(yōu)勢(shì)：

超高共模電壓耐受能力（隔離電壓可達(dá) 2.5kV~5kV）；

電氣隔離，保護(hù)后端低壓器件；

高 CMRR、高精度。

缺點(diǎn)：成本較高，帶寬相對(duì)有限（通常 kHz 級(jí)）。

四、 關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

電阻匹配：無(wú)源方案和運(yùn)放外部電阻的匹配精度直接決定 CMRR，建議選用精密金屬膜電阻（精度 ±0.1% 以內(nèi)，溫漂 < 25ppm/℃）。

高壓防護(hù)：高壓側(cè)需增加限流電阻、TVS 管，防止浪涌電壓損壞器件。

接地設(shè)計(jì)：差分信號(hào)的地與單端信號(hào)的地需做好隔離或單點(diǎn)接地，避免地環(huán)路干擾。

帶寬匹配：根據(jù)信號(hào)頻率選擇器件，高頻信號(hào)優(yōu)先選變壓器或高速運(yùn)放，低頻 / 直流信號(hào)優(yōu)先選差分運(yùn)放或隔離放大器。

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