高压模拟差分信号转单端信号：电路方案与设计要点

在高压场景下，模拟差分信号转单端信号的核心需求是抑制共模干扰、耐受高压共模电压，同时完成差分信号的幅值提取与单端转换，常用方案分为无源转换和有源转换两类，具体选择需结合共模电压范围、信号带宽、精度要求。

一、 核心概念铺垫

差分信号：由一对幅值相等、极性相反的信号组成，有效信号为差分电压 ，抗干扰能力强。

单端信号：以地为参考点的信号，输出为 VOUT，便于直接接入 ADC、运放等单端输入器件。

高压场景关键指标

共模电压：差分对两端相对于地的平均电压，高压场景下可达几十～几百 V。

共模抑制比（CMRR）：衡量电路抑制共模干扰的能力，数值越大越好。

二、 无源转换方案（低成本、低精度）

适用于共模电压不极高、信号带宽适中、精度要求低的场景，核心器件为精密电阻网络。

1. 基本电路：差分电阻分压转单端

电路结构：

关键要求：需保证 R1=R2、Rf=Rg（匹配电阻），否则会降低 CMRR。

高压适配：通过选择高压电阻（耐压 > 共模电压），可承受较高共模电压，但分压后信号幅值会衰减，且无信号放大能力。

缺点：抗干扰能力弱，CMRR 依赖电阻匹配精度，无隔离能力。

2. 隔离型无源方案：脉冲变压器

适用场景：高频差分信号（如 MHz 级）、需电气隔离的高压场景。

原理：利用变压器的互感效应，将差分信号的变化量耦合到次级，再转换为单端信号。

优点：电气隔离，可耐受 kV 级共模电压；高频特性好。

缺点：无法传输直流或低频信号；信号幅值受变比限制，存在失真。

三、 有源转换方案（高精度、高 CMRR）

适用于高压共模、高精度、宽带宽需求的场景，核心器件为高压差分运放或隔离放大器。

1. 高压差分运放直接转换

核心器件：专门设计的高压差分运放（如 TI 的 INA149、ADI 的 AD8475），其输入级可耐受几十～几百 V 的共模电压。

电路结构：典型差分放大电路，配置反馈电阻 Rf和增益电阻 Rg，增益 。

输出公式：。

优势：

• 高 CMRR（通常 > 80dB），抗共模干扰能力强；

• 可直接放大差分信号，无需额外分压；

• 支持直流～低频信号，精度高。

注意事项：运放的共模电压范围（CMVR）必须大于实际应用的共模电压，否则会导致器件损坏或信号失真。

2. 隔离型差分放大器转换

适用场景：共模电压极高（如 kV 级）、需电气隔离的场景（如高压电力监测、工业电机驱动）。

核心器件：隔离差分放大器（如 ADI 的 AD215、TI 的 ISO124），内部集成隔离屏障（光电隔离或电容隔离），将输入高压侧与输出低压侧完全隔离。

工作原理：

输入级：高压差分信号经差分放大后，转换为与差分电压成正比的调制信号；

隔离级：通过光电 / 电容隔离，将调制信号传输到低压侧；

输出级：解调并还原为单端信号，可直接接入后端电路。

优势：

超高共模电压耐受能力（隔离电压可达 2.5kV~5kV）；

电气隔离，保护后端低压器件；

高 CMRR、高精度。

缺点：成本较高，带宽相对有限（通常 kHz 级）。

四、 关键设计注意事项

电阻匹配：无源方案和运放外部电阻的匹配精度直接决定 CMRR，建议选用精密金属膜电阻（精度 ±0.1% 以内，温漂 < 25ppm/℃）。

高压防护：高压侧需增加限流电阻、TVS 管，防止浪涌电压损坏器件。

接地设计：差分信号的地与单端信号的地需做好隔离或单点接地，避免地环路干扰。

带宽匹配：根据信号频率选择器件，高频信号优先选变压器或高速运放，低频 / 直流信号优先选差分运放或隔离放大器。

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