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，但也存在一些會阻礙可變增益IA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σ蟾鶕?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)對欠佳的SNR，而這會降低精度。

在ADI刊物《模擬對話》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關(guān)或多任務(wù)器來完成。但是，模擬開關(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切換增益電阻的值來改變其增益。但是，這種做法存在明顯的缺點(diǎn)，例如：

? 開關(guān)導(dǎo)通電阻（RON）標(biāo)稱值及其變化會造成較大的增益誤差；
? 由于需要的開關(guān)RON值較低，高增益值可能無法實(shí)現(xiàn)；
? 開關(guān)非線性會引起訊號失真。這是因?yàn)橛嵦栯娏髦苯恿鬟^RON，因此其值隨著電壓的任何變化都會引起失真。

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以透過改變RF/RG比來獲得所需的增益值。


 
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模擬開關(guān)RON被降至低點(diǎn)，因?yàn)樗梢耘c輸入級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，因此對增益誤差和漂移幾乎沒有影響。

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產(chǎn)生影響，因此開關(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關(guān)，創(chuàng)建具有精密增益步進(jìn)的精密PGIA。

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


 
圖4 : LT6372-1的框圖，以及PGIA的簡化外部連接（未顯示增益開關(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，但是可以透過在設(shè)計(jì)中增加更多開關(guān)來增加該值。

如前所述，允許配置RG,F和RG,S接腳這一特性，能夠增加RF來增大增益，并降低RG來減小增益，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開關(guān)上的開關(guān)都設(shè)定為的短路接腳S3和D3時(shí)，對應(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)的過程，可能的增益值相互作用，對選擇使用的電阻產(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)過計(jì)算，設(shè)計(jì)的計(jì)算過程完成。

測量的性能圖
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大訊號頻率響應(yīng)。


 
圖6 : PGIA CMRR與頻率的關(guān)系。

ADG444的開關(guān)電容使得在最低增益設(shè)定（G1 = 2 V/V）下，小訊號頻率響應(yīng)出現(xiàn)一些明顯的峰化（參見圖7）。這種現(xiàn)象只在采用較低的增益設(shè)定時(shí)才會出現(xiàn)，因?yàn)長T6372-1的帶寬擴(kuò)展到足以受到開關(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)說明了其設(shè)計(jì)步驟以及性能測量值。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）