信號鏈基礎知識 68：探討可編程增益放大器驅動(dòng)參考引腳

可編程增益放大器 (PGA) 是特殊的放大器結構(請參見(jiàn)圖 1)，具有經(jīng)過(guò)修整的內部電阻器網(wǎng)絡(luò )，擁有比采用離散式電阻器組件的放大器更高的性能。正如圖 1 中 PGA 傳輸函數所顯示那樣，PGA 輸出的絕對誤差與內部偏移電壓(VOS)、增益精度和 VREF 絕對精度有關(guān)。

圖 1 相應傳輸函數的PGA 配置舉例

在一些使用 PGA 的應用中，關(guān)鍵的 DC 規范為 VOS、增益精度與偏移、噪聲以及靜態(tài)功耗。如果參考引腳 VREF 不以運算放大器緩沖電路驅動(dòng)，則 PGA 傳輸函數的精度會(huì )受到極大影響。另外，從 AC 的角度來(lái)看，一個(gè)常見(jiàn)的難題是維持頻率下的增益精度，其會(huì )受到參考引腳電壓 VREF 以及對它起到緩沖作用的運算放大器的影響。

考慮到帶寬、AOL(ω)、RO(ω) 和運算放大器緩沖電路的反饋系數 (β)(請參見(jiàn)圖 2)大小的情況下，我們便可以更好地理解運算放大器效應對 VREF 所產(chǎn)生的影響。

圖 2 Vref 緩沖分壓器電壓

由于緩沖器本身 β = 1，因此輸出電壓 VREF 等于 AOLVIN。VREF 流入緩沖放大器反相輸入端的輸入偏置電流，決定了負載電流的大小程度。這一點(diǎn)非常重要，因為負載電流的大小會(huì )調節環(huán)路增益 (AOLβ) 和閉環(huán)輸出阻抗 ROUT。

圖 2 顯示了 VREF 緩沖器的閉環(huán)內部電路：Rout、Ro 和 AOL 之間的重要關(guān)系如方程式 1 所示：

方程式 1

總之，隨著(zhù)頻率不斷增加，運算放大器通過(guò)減小 AOL、增加 Rout 以及延長(cháng)穩定時(shí)間來(lái)保持固定輸出電壓和低阻抗的能力下降。這會(huì )影響 PGA 增益誤差的精度。

為了方便說(shuō)明，請思考圖 3 所示單端 PGA 之例。輸入信號 VIN 有其 DC 組成部分 (2.5V)，而 AC 信號為一個(gè) 200 mVpp、5 kHz 正弦波：

圖 3 緩沖器單端 PGA

圖 4 以 TINA Spice 中的“萬(wàn)用表”功能對圖 5 進(jìn)行分析

我們可以利用 TINA Spice 中的“萬(wàn)用表”功能(請參見(jiàn)圖 4)，獲得輸入電壓對輸出電壓的 RMS 值，并用其計算總輸出誤差，具體計算方法如方程式 2 和 3：

方程式 2

方程式 3

例如，微功耗精密運算放大器 OPA333 便擁有 ~350 kHz 的增益帶寬 (GBW) 積。因此，在 5 kHz下，閉環(huán)特性會(huì )下降到造成第二個(gè)運算放大器(如OPA376)輸出端產(chǎn)生 0.08% 誤差的程度。若使用一個(gè)更高 GBW 的放大器(如：另一個(gè)精密運算放大器)便可減小這種誤差。

通過(guò)在 TINA SPICE 中繪制出傳輸函數 (VOUT/VIN) 與頻率曲線(xiàn)圖的關(guān)系圖，我們可以直觀(guān)地看到改變阻抗頻率的效果(請參見(jiàn)圖 5)。請注意，相比 OPA333， OPA376 當作緩沖器時(shí)，增益與頻率的關(guān)系更加恒定：

圖 5 OPA333 和 OPA376 緩沖器比較圖

結果表明，把一個(gè)帶寬較高的運算放大器(例如：OPA376 等)用作 VREF 緩沖放大器，可明顯改善總輸出誤差。

下次，我們將討論音頻處理系統中不斷增加的 THD(原因和方法分析)。