經(jīng)典儀表放大器（PGIA）的新版本提供更高的設(shè)計(jì)靈活性

Hooman Hashemi

0 引言

與傳感器連接時(shí)，儀表放大器（IA）作用強(qiáng)大且功能多樣，但也存在一些限制，會(huì)阻礙可變?cè)鲆鍵A或可編程增益儀表放大器（PGIA）的設(shè)計(jì)。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)榻?jīng)常遇到要求根據(jù)各種各樣的傳感器或環(huán)境條件調(diào)節(jié)電路的情況，我們需要這類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，這會(huì)降低精度。我的同事發(fā)表了《模擬對(duì)話》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(wěn)定的PGIA的技術(shù)。文章中指出了這種設(shè)計(jì)可能存在的缺陷，并展示了對(duì)可用解決方案和技術(shù)的全面調(diào)查。在本文中，我將介紹另一種促進(jìn)這項(xiàng)工作的工具和方法，并逐一介紹每個(gè)設(shè)計(jì)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(gòu)

常見的儀表放大器架構(gòu)如圖1所示。

增益由外部電阻器RG的值來設(shè)定。要使用這類器件創(chuàng)建PGIA，只需切換RG的值即可。這種切換通常使用模擬開關(guān)或多路復(fù)用器來完成。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、通道電容，以及通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引腳如何被分解成±RG ，S和±RG ，F(xiàn)，單獨(dú)引出，并從器件封裝外部進(jìn)行配置。

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(huì)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(huì)引起信號(hào)失真。這是因?yàn)樾盘?hào)電流直接流過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(dāng)LT6372-1配置為PGIA時(shí)，可以緩解這些問題，因?yàn)镽G，F(xiàn)和RG，S引腳是單獨(dú)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(hào)被放大，提供4個(gè)可能的增益值，用戶可根據(jù)選擇的SW1開關(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，以通過改變RF/RG比來獲得所需的增益值。

此外，作為增益誤差源的U1、U2模擬開關(guān)RON被降至最低，因?yàn)樗梢耘c輸入級(jí)反相端口及其反饋電阻串聯(lián)。這樣配置之后，RON只占內(nèi)部12.1 k？反饋電阻總量的一小部分，因此對(duì)增益誤差和漂移幾乎沒有影響。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，因此開關(guān)非線性引起的失真可降至最低。此外，此器件的輸入級(jí)由電流反饋放大器（CFA）架構(gòu)組成，與傳統(tǒng)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的簡化圖，展示了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)置增益）如何配置電路。在此圖中，2個(gè)開關(guān)組由4種可能的增益值之一來描述；–RG ，S和+RG ，S引腳短接至RF3/RF4結(jié)。

2 用于計(jì)算外部電阻的增益的設(shè)計(jì)步驟

ADG444的開關(guān)電容使得在最低增益設(shè)（ G1= 2 V/V ）下，小信號(hào)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)置時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)長T6372-1的帶寬擴(kuò)展到足以受到開關(guān)pF電容影響。解決這種副作用的方法包括，選擇電容更低的開關(guān)（例如具5 pF電容的ADG611/ADG612/ADG613），或者限制PGIA的最低增益設(shè)置。

5 結(jié)束語

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(xì)說明了其設(shè)計(jì)步驟以及性能測量值。LT6372-1具有高線性度，提供精確的直流規(guī)格和性能，因此非常適合用于此類解決方案。

注釋

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