用D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高精度可編程增益放大器

實(shí)際應(yīng)用中,常常需要一個增益可軟件編程的放大器(PGA),用來將不同幅度的模擬輸入信號放大到某個特定范圍,便于A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣,或者將給定信號放大一個由軟件設(shè)定的增益后輸出。但可供選用的現(xiàn)成的可編程增益放大器并不多見,需要采用其它方法來實(shí)現(xiàn),通常有兩種方法：1)運(yùn)放+模擬開關(guān)+電阻網(wǎng)絡(luò);2)運(yùn)放+數(shù)字電位器。其中,前一種方法利用模擬開關(guān)切換電阻反饋網(wǎng)絡(luò),從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法所需元器件較多,電路龐大,而且精度受到限制。第二種方案采用固態(tài)數(shù)字電位器來控制放大電路的增益,線路較為簡單。但現(xiàn)有的數(shù)字電位器分辨率有限,常見的有32、64抽頭,少數(shù)可達(dá)1024抽頭,因而構(gòu)成的放大器精度有限,無法滿足10位甚至12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

實(shí)際上,還有另外一個更為簡單、精確,但又常常被人們忽視的方法,那就是采用D/A轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)高精度可編程增益放大器。圖1所示就是一個采用MAXIM公司的12位D/A轉(zhuǎn)換器MAX502構(gòu)成的12位可編程增益放大器。可以看到此種方案非常簡單,只需單片D/A轉(zhuǎn)換器即可實(shí)現(xiàn)一個完整的高精度PGA,甚至可以不需要任何外圍元件(圖中的微調(diào)電位器W1和W2可以省去)。并且它還具有十分方便的編程接口,可以直接掛到數(shù)據(jù)總線上(16位總線可以采用MAX502,8位總線可以采用MAX501,SPI串行總線可以采用MAX532)。下面對其工作原理及性能參數(shù)進(jìn)行簡要分析。

工作原理

MAX502 D/A轉(zhuǎn)換器利用R-2R梯形解碼網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的變

輸入不同的數(shù)字量D,就可以在1~4096間設(shè)定放大器的電壓增益。圖1中的兩個外接電位器W1、W2分別用于對放大器的失調(diào)和增益誤差進(jìn)行微調(diào),可進(jìn)一步提高放大器的精度,要求不太高時也可以省去。

性能參數(shù)

該放大器的性能參數(shù)可以根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)參數(shù)換算得到,根據(jù)MAX502的性能指標(biāo)可以得到圖1電路的主要性能參數(shù)如下：

輸入失調(diào)電壓：±1mV (未調(diào)整)

輸入失調(diào)溫漂：±5μV/℃

增益誤差：0.07%(未調(diào)整)

增益溫度系數(shù)：±1ppm/℃

單位增益帶寬：3MHz

壓擺率：5V/μs

輸出擺幅：±10V(2kΩ負(fù)載)

輸出電阻：0.2Ω

輸出噪聲電壓：25nV/ Hz

總諧波失真(THD)：-90dB