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在许多实际应用中，如电机控制或高压测量系统，模拟数字转换器（ADC）需要处理微弱的差分信号，同时面对较大的共模电压。传统仪表放大器由于其单端输出和有限的共模范围，在这类应用场景中并不适用。然而，通过设计一个简单的电路，可以将单端输出转换为差分输出，并扩展输入共模范围，使得低成本的仪表放大器也能满足这些需求。
图1展示了一个精密系统的示意图，该系统允许用户在存在高共模电压的情况下准确地测量差分信号。此电路由三个主要部分组成：输入缓冲器、ADC驱动器和基准电压源。其中，缓冲器负责驱动仪表放大器的参考引脚，并将单端输出转换成差分输出。这一设计显著提高了输入共模电压范围，能够处理高达±270V的共模电压（使用±15V电源），极大地增强了系统的鲁棒性。
图1
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这种配置确保了直流差分精度主要取决于AD629差动放大器和AD8421仪表放大器的质量，而非运算放大器或外部电阻匹配，从而简化了设计并提高了可靠性。
为了获得最佳交流性能，建议选用具有高带宽和高压摆率的运算放大器，例如ADA4807。需要注意的是，为了避免寄生电容导致不稳定，连接至反相输入端的走线应尽可能短。如果必须延长走线，则应选择阻值较低的电阻来减少影响。
此外，高性能ADC通常采用5V单电源供电，并自带基准电压源，这不仅简化了电路设计，还减少了对额外基准电压的需求，进一步降低了成本和复杂度。
根据图2所示的测试结果，当两个仪表放大器增益均为1时，输入信号VIN是一个叠加在大共模电压上的1Vpp 10kHz正弦波。最终得到的差分输出电压VOUT_diff为1Vpp，成功消除了共模干扰。实验表明，相较于使用分立元件构建的传统仪表放大器，本方案中的集成仪表放大器凭借内部精密激光微调电阻实现了更高的共模抑制比（CMR），达到了80dB以上。
图2. 电路的性能：
顶部：两个互补输出
中间：带有大共模信号的输入电压
底部：差分输出
此电路特别适合功耗敏感的应用场景，总静态电流仅为5mA，采用5V双电源供电时，整体功耗约为50mW，相比其他基于基本ADC驱动器的解决方案节省了大约50%的能耗。
总之，通过巧妙的设计，我们可以利用低成本仪表放大器构建出适用于高共模电压环境下的高性能差分信号测量系统，既保证了精度又兼顾了经济性和能效。这对于工程师来说，提供了一种高效且可行的方法来应对复杂的工业级信号处理挑战。
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