經(jīng)典儀表放大器（PGIA）的新版本提供更高的設計靈活性

作者簡(jiǎn)介：Hooman Hashemi，2018年3月加入ADI公司，從事新產(chǎn)品指標測試和展示產(chǎn)品特性與用途的應用開(kāi)發(fā)工作。他此前曾在Texas Instruments工作22年，擔任應用工程師，專(zhuān)注于高速產(chǎn)品系列。他于1989年8月畢業(yè)于圣克拉拉大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位；1983年12月畢業(yè)于圣何塞州立大學(xué)，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。E-mail: hooman.hashemi@analog.com。

0   引言

與傳感器連接時(shí)，儀表放大器（IA）作用強大且功能多樣，但也存在一些限制，會(huì )阻礙可變增益IA或可編程增益儀表放大器（PGIA）的設計。在有些文獻中，后者也被稱(chēng)為軟件可編程增益放大器（SPGA）。因為經(jīng)常遇到要求根據各種各樣的傳感器或環(huán)境條件調節電路的情況，我們需要這類(lèi)PGIA。采用固定增益時(shí)，系統設計人員可能不得不應對欠佳的SNR，這會(huì )降低精度。我的同事發(fā)表了《模擬對話(huà)》文章“可編程增益儀表放大器：找到適合的放大器”，其中討論了多種有助于創(chuàng )建精密、穩定的PGIA 的技術(shù)。文章中指出了這種設計可能存在的缺陷，并展示了對可用解決方案和技術(shù)的全面調查。在本文中，我將介紹另一種促進(jìn)這項工作的工具和方法，并逐一介紹每個(gè)設計步驟，讓大家快速掌握使用新發(fā)布的儀表放大器創(chuàng )建精密PGIA 所需的外部元器件值。

1   一種新的儀表放大器架構

常見(jiàn)的儀表放大器架構如圖1 所示。增益由外部電阻器RG 的值來(lái)設定。要使用這類(lèi)器件創(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)或多路復用器來(lái)完成。但是，模擬開(kāi)關(guān)的一些非理想行為讓這項任務(wù)變得復雜——例如開(kāi)關(guān)的導通電阻、通道電容，以及通道電阻隨施加電壓的變化。

圖1 經(jīng)典儀表放大器

圖2所示為基于標準儀表放大器結構的變化版本。注意RG 引腳如何被分解成±RG ,S 和±RG ,F，單獨引出，并從器件封裝外部進(jìn)行配置。

圖2 LT6372-1架構允許配置一些IA內部節點(diǎn)

圖2 所示的架構有一個(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最低。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通過(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)導通電阻（ RON ）標稱(chēng)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；

●   開(kāi)關(guān)非線(xiàn)性會(huì )引起信號失真。這是因為信號電流直接流過(guò)RON ，因此其值隨電壓的任何變化都會(huì )引起失真。

如圖3 所示，當LT6372-1 配置為PGIA 時(shí)，可以緩解這些問(wèn)題，因為RG,F 和RG,S 引腳是單獨引出的。在這個(gè)原理圖中，惠斯登電橋（由R5 ~ R8 組成）產(chǎn)生的信號被放大，提供4 個(gè)可能的增益值，用戶(hù)可根據選擇的SW1 開(kāi)關(guān)位置進(jìn)行選擇。利用LT6372 系列引腳排列，我們可以創(chuàng )建一個(gè)PGIA，以通過(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，提供四種增益設置

此外，作為增益誤差源的U1、U2 模擬開(kāi)關(guān)RON被降至最低，因為它可以與輸入級反相端口及其反饋電阻串聯(lián)。這樣配置之后， RON 只占內部12.1 kΩ 反饋電阻總量的一小部分，因此對增益誤差和漂移幾乎沒(méi)有影響。同樣，由于RON 值只占總反饋電阻的一小部分，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(xiàn)性引起的失真可降至最低。此外，此器件的輸入級由電流反饋放大器（CFA）架構組成，與傳統的電壓反饋放大器相比，它本身在增益變化時(shí)所允許的帶寬或速度變化較小。[1] 上述所有這些因素綜合在一起，讓我們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 所示為PGIA 的簡(jiǎn)化圖，展示了梯形電阻的不同抽頭（由總共8 個(gè)模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現，每次短接2 個(gè)來(lái)設置增益）如何配置電路。在此圖中，2 個(gè)開(kāi)關(guān)組由4 種可能的增益值之一來(lái)描述； –RG ,S 和+RG ,S引腳短接至RF3/RF4 結。

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)）

2   用于計算外部電阻的增益的設計步驟

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，但是可以通過(guò)在設計中增加更多開(kāi)關(guān)來(lái)增加該值。如前所述，允許配置RG,F 和RG,S 引腳這一特性讓我們能夠增加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。為了計算增益，我們可以將反饋電阻計為內部12.1 kΩ 調整電阻加上RG,F 到RG,S 端口連接上與RG ,F 串聯(lián)的其他電阻。

相反，增益設置電阻是+RG ,S 和?RG ,S 之間的總電阻?？偨Y起來(lái)就是：

RF =12.1 kΩ + 2 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 ~ 1000) V/V 。

當U1 和U2 開(kāi)關(guān)上的開(kāi)關(guān)都設置為的短路引腳S3 和D3 時(shí)，對應的RF 和RG 值，以及產(chǎn)生的增益如下：

很容易看出，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，對選擇使用的電阻產(chǎn)生影響。為了便于參考，表1 列出了一些常見(jiàn)的增益值組成值，但是，還可能存在許多其他的增益組合（G）。

3   確定PGIA的值的步驟

我們可以使用式（1）依序計算增益網(wǎng)絡(luò )中的單個(gè)電阻的值。該方程確定電阻的方式如圖3 標示，表1中的案例2（增益為2、20、200 V 和500 V/V ）用作算出的示例。反饋電阻與增益設置電阻是交互式的；因此，公式必須是當前項取決于之前項的一個(gè)系列。計算公式如下：

以下是一些定義：

R_F1 =12.1 kΩ（LT6372-1 的內置電阻）

M：增益數量（本電路為4）

Gi ：增益實(shí)例（在本例中，G G 1 4 ~ 分別為2、20、200 或500 V/V）

i：在1~（M-1）之間變化，用于計R_Fi+1

式（1）可用于計算任何增益組合所需的反饋電阻。一個(gè)虛擬變（j）充當計數器，以保持之前的反饋電阻的連續總數。在計算之前，建議先繪制與圖3 所示的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)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。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 ）求式（1）的值。

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

根據式（2）：

根據i =1 →（M ?1），以迭代的方式求式（1）的值

然后，可以使用以下等式計算中心電阻R_G ：

在進(jìn)行最后一步計算之后，表1 中的所有4 個(gè)電阻值都經(jīng)過(guò)計算，設計的計算過(guò)程完成。

4   測量的性能圖

圖5~ 圖7 顯示了使用此PGIA 配置可以實(shí)現的性能。

圖5 PGIA大信號頻率響應

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( G1 = 2 V/V )下，小信號頻率響應出現一些明顯的峰化（參見(jiàn)圖7）。這種現象只在采用較低的增益設置時(shí)才會(huì )出現，因為L(cháng)T6372-1 的帶寬擴展到足以受到開(kāi)關(guān)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5 pF 電容的ADG611/ADG612/ADG613），或者限制PGIA 的最低增益設置。

圖7 PGIA小信號低增益峰化

5   結束語(yǔ)

本文介紹了如何利用新發(fā)布的LT6372 系列器件的引腳排列為儀表放大器添加增益選擇功能。文中分析了這種PGIA 的特性，并詳細說(shuō)明了其設計步驟以及性能測量值。LT6372-1 具有高線(xiàn)性度，提供精確的直流規格和性能，因此非常適合用于此類(lèi)解決方案。

注釋

[1]閉環(huán)帶寬與RF的值成反比，而傳統的電壓反饋架構帶寬與增益（RF/RG)成反比。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）