促進(jìn)可編程增益儀表放大器工作的設(shè)計(jì)步驟

本文介紹一種促進(jìn)可編程增益儀表放大器（PGIA）工作的工具和方法，并且逐一介紹各個(gè)設(shè)計(jì)步驟，快速掌握使用新發(fā)布的儀表放大器創(chuàng)建精密PGIA所需的外部元組件值。

當(dāng)與傳感器連接時(shí)，儀表放大器（IA）的作用強(qiáng)大且功能多元，但也存在一些會(huì)阻礙可變?cè)鲆鍵A或可編程增益儀表放大器（PGIA） 設(shè)計(jì)的限制。在有些文獻(xiàn)中，后者也被稱為軟件可編程增益放大器（SPGA）。因?yàn)獒槍?duì)要求根據(jù)各式傳感器或環(huán)境條件調(diào)節(jié)電路的情況時(shí)，需要這類PGIA。采用固定增益時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能不得不應(yīng)對(duì)欠佳的SNR，而這會(huì)降低精度。

在ADI刊物《模擬對(duì)話》其中一篇文章，談到多種有助于創(chuàng)建精密、穩(wěn)定的PGIA的技術(shù)；在文中指出這種設(shè)計(jì)可能存在的缺陷，并展示對(duì)于可用解決方案和技術(shù)的全面調(diào)查。本文將介紹另一種促進(jìn)這項(xiàng)工作的工具和方法，并且逐一介紹每一個(gè)設(shè)計(jì)步驟，能夠快速掌握使用新發(fā)布的儀表放大器創(chuàng)建精密PGIA所需的外部零組件值。

儀表放大器新架構(gòu)
常見(jiàn)的儀表放大器架構(gòu)，如圖1所示。

 
圖1 : 經(jīng)典儀表放大器。

增益由外部電阻器RG的值來(lái)設(shè)定。要使用這類組件創(chuàng)建PGIA，只需切換RG的值即可。這種切換通常使用模擬開(kāi)關(guān)或多任務(wù)器來(lái)完成。但是，模擬開(kāi)關(guān)的一些非理想行為，讓這項(xiàng)任務(wù)變得復(fù)雜—例如開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻、信道電容，以及信道電阻隨施加電壓的變化。

圖2所示為基于標(biāo)準(zhǔn)儀表放大器結(jié)構(gòu)的變化版本，注意RG接腳如何被分解成±RG,S和±RG,F，單獨(dú)引出，并從組件封裝外部進(jìn)行配置。


 
圖2 : LT6372-1架構(gòu)允許配置一些IA內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。

圖2所示的架構(gòu)有一個(gè)重要的實(shí)用特性：能夠配置儀表放大器，使其可以在幾個(gè)不同的增益值之間切換，同時(shí)將開(kāi)關(guān)電阻造成的增益誤差降至低點(diǎn)。此特性可用于創(chuàng)建PGIA。

如上所述，任何電阻可編程儀表放大器都可以透過(guò)切換增益電阻的值來(lái)改變其增益。但是，這種做法存在明顯的缺點(diǎn)，例如：

? 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻（RON）標(biāo)稱值及其變化會(huì)造成較大的增益誤差；
? 由于需要的開(kāi)關(guān)RON值較低，高增益值可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)；
? 開(kāi)關(guān)非線性會(huì)引起訊號(hào)失真。這是因?yàn)橛嵦?hào)電流直接流過(guò)RON，因此其值隨著電壓的任何變化都會(huì)引起失真。

如圖3所示，當(dāng)LT6372-1配置為PGIA時(shí)，可以緩解這些問(wèn)題，因?yàn)镽G,F和RG,S接腳是單獨(dú)引出的。在此原理圖中，惠斯登電橋（由R5至R8組成）產(chǎn)生的訊號(hào)被放大，提供4個(gè)可能的增益值，使用者可根據(jù)選擇的SW1開(kāi)關(guān)位置進(jìn)行選擇。利用LT6372系列接腳排列，可以創(chuàng)建一個(gè)PGIA以透過(guò)改變RF/RG比來(lái)獲得所需的增益值。


 
圖3 : LT6372-1 PGIA電橋接口，提供四種增益設(shè)定。

此外，作為增益誤差源的U1、U2模擬開(kāi)關(guān)RON被降至低點(diǎn)，因?yàn)樗梢耘c輸入級(jí)反相埠及其回饋電阻串聯(lián)。這樣配置之后，RON只占內(nèi)部12.1 kΩ回饋電阻總量的一小部分，因此對(duì)增益誤差和漂移幾乎沒(méi)有影響。

同樣的，由于RON值只占總回饋電阻的一小部分，其值隨電壓的變化幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響，因此開(kāi)關(guān)非線性引起的失真可降至低點(diǎn)。此外，此組件的輸入級(jí)由電流回饋放大器（CFA）架構(gòu)組成，與傳統(tǒng)的電壓回饋放大器相比，它本身在增益變化時(shí)所允許的帶寬或速度變化較小。綜合上述所有的這些因素，能夠使用低成本外部模擬開(kāi)關(guān)，創(chuàng)建具有精密增益步進(jìn)的精密PGIA。

圖4為PGIA的簡(jiǎn)化圖，展示梯形電阻的不同抽頭（由總共8個(gè)模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，每次短接2個(gè)來(lái)設(shè)定增益）如何配置電路。在此圖中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)組由四種可能的增益值之一來(lái)描述；–RG,S和+RG,S接腳短接至RF3/RF4結(jié)。


 
圖4 : LT6372-1的框圖，以及PGIA的簡(jiǎn)化外部連接（未顯示增益開(kāi)關(guān)）。

@:用于計(jì)算外部電阻增益的設(shè)計(jì)步驟

圖3顯示完整的PGIA配置，包括所需的開(kāi)關(guān)，該配置可適應(yīng)任意大小的增益范圍。其中包含四個(gè)可能的增益值，但是可以透過(guò)在設(shè)計(jì)中增加更多開(kāi)關(guān)來(lái)增加該值。

如前所述，允許配置RG,F和RG,S接腳這一特性，能夠增加RF來(lái)增大增益，并降低RG來(lái)減小增益，以創(chuàng)建功能多樣的PGIA。為了計(jì)算增益，可以將回饋電阻計(jì)為內(nèi)部12.1 kΩ調(diào)整電阻加上RG,F到RG,S埠連接上與RG,F串聯(lián)的其他電阻。相反的，增益設(shè)定電阻是+RG,S和-RG,S之間的總電阻。

總結(jié)結(jié)果為：

RF = 12.1 kΩ + 兩個(gè)輸入放大器各自上面的RG,F和RG,S之間的電阻

RG = +RG,S和–RG,S之間的電阻

在這種配置下，增益的可能范圍為1 V/V至1000 V/V。當(dāng)U1和U2開(kāi)關(guān)上的開(kāi)關(guān)都設(shè)定為的短路接腳S3和D3時(shí)，對(duì)應(yīng)的RF和RG值，以及產(chǎn)生的增益如下：

RF = 12.1 kΩ + 11 kΩ + 1.1 kΩ = 24.1 kΩ

RG = 73.2 Ω + 97.6 Ω + 73.2 Ω = 244 Ω

G = 1+ 2RF/RG = 1 + 2 × 24.1 kΩ/244 Ω = 199 V/V

很容易能夠看出，決定外部電阻使用哪個(gè)值是一個(gè)迭代且彼此相關(guān)的過(guò)程，可能的增益值相互作用，對(duì)選擇使用的電阻產(chǎn)生影響。

確定PGIA的值的步驟
我們可以使用公式依序計(jì)算增益網(wǎng)絡(luò)中的單一電阻值。以方程式確定電阻的方式，如圖3所標(biāo)示，案例2（增益為2、20、200和500 V/V）用于算出的示例?；仞侂娮枧c增益設(shè)定電阻是交互式的；因此，公式必須是目前項(xiàng)取決于之前項(xiàng)的一個(gè)系列。

以下是一些定義：

RF1 = 12.1 kΩ （LT6372-1的內(nèi)建電阻）

M：增益數(shù)量（本電路為4）

Gi：增益實(shí)例（在本例中，G1， – G4分別為2、20、200或500 V/V）

i：在1至（M-1）之間變化，用于計(jì)算 RF i + 1

用于計(jì)算任何增益組合所需的回饋電阻。一個(gè)虛擬變量（j）充當(dāng)計(jì)數(shù)器，以保持之前的回饋電阻的連續(xù)總數(shù)。

在計(jì)算之前，建議先繪制與圖3所示的網(wǎng)絡(luò)類似的電阻網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中有（2 × M） – 1個(gè)電阻，其中M =增益數(shù)。在這個(gè)示例中，M = 4，所以，電阻串中將包含7個(gè)電阻。需要針對(duì)i = 1 →（M – 1）求等式1的值。

G1 = 2, G2 = 20, G3 = 200, G4 = 500 V/V

根據(jù)等式計(jì)算，根據(jù)i = 1 → （M-1），以迭代的方式求等式1的值，然后，可以使用等式計(jì)算中心電阻RG，而在進(jìn)行最后一步計(jì)算之后，所有4個(gè)電阻值都經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程完成。

測(cè)量的性能圖
從下列圖標(biāo)顯現(xiàn)了使用此PGIA配置可以實(shí)現(xiàn)的性能。


 
圖5 : PGIA大訊號(hào)頻率響應(yīng)。


 
圖6 : PGIA CMRR與頻率的關(guān)系。

ADG444的開(kāi)關(guān)電容使得在最低增益設(shè)定（G1 = 2 V/V）下，小訊號(hào)頻率響應(yīng)出現(xiàn)一些明顯的峰化（參見(jiàn)圖7）。這種現(xiàn)象只在采用較低的增益設(shè)定時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)長(zhǎng)T6372-1的帶寬擴(kuò)展到足以受到開(kāi)關(guān)的pF電容影響。解決這種副作用的方法包括，選擇電容更低的開(kāi)關(guān)（例如具有5 pF電容的ADG611/ADG612/ADG613），或者限制PGIA的最低增益設(shè)定。

 
圖7 : PGIA小訊號(hào)低增益峰化。

結(jié)論
本文介紹如何利用新型LT6372系列組件的接腳排列，為儀表放大器增加增益選擇功能。文中分析這種PGIA的特性，并詳細(xì)說(shuō)明了其設(shè)計(jì)步驟以及性能測(cè)量值。而LT6372-1具有高線性度，提供精準(zhǔn)的直流規(guī)格和性能，因此非常適合用于此類解決方案。
（本文作者Hooman Hashemi為ADI 產(chǎn)品應(yīng)用工程師）