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

簡(jiǎn)介

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，我會(huì)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。

一種新的儀表放大器架構(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(fù)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(xiàng)任務(wù)變得復(fù)雜——例如開(kāi)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，單獨(dú)引出，并從器件封裝外部進(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：

1.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。

2. 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)。

3. 開(kāi)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(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(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引腳是單獨(dú)引出的。在這個(gè)原理圖中，惠斯登電橋(由R5至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(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。

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?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 kΩ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(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(kāi)關(guān)，創(chuàng)建具有精密增益步進(jìn)的精密PGIA。

1 CFA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。

圖3.LT6372-1 PGIA電橋接口，提供四種增益設(shè)置

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(xiàn)，每次短接2個(gè)來(lái)設(shè)置增益)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引腳短接至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)算外部電阻的增益的設(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，但是可以通過(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(jì)算增益，我們可以將反饋電阻計(jì)為內(nèi)部12.1 kΩ調(diào)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(shè)置電阻是+RG,S和-RG,S之間的總電阻。總結(jié)起來(lái)就是：

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)置為的短路引腳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。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)。

表1.一些PGIA增益組合的組成值

案例RF2 (k?)RF3 (k?)RF4 (k?)RG (k?)G1G2G3G4

164.51.10.756241664

210.91.10.07260.097220

20200500

38.66.14.320.81.4 (3 dB)2 (6 dB)2.8 (9 dB)4 (12 dB)

確定PGIA的值的步驟

我們可以使用等式1中的公式依序計(jì)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所標(biāo)示，表1中的案例2(增益為2、20、200和500 V/V)用作算出的示例。反饋電阻與增益設(shè)置電阻是交互式的;因此，公式必須是當(dāng)前項(xiàng)取決于之前項(xiàng)的一個(gè)系列。計(jì)算公式如下：

以下是一些定義：

RF1 = 12.1 kΩ(LT6372-1的內(nèi)置電阻)

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RFi + 1

等式1可用于計(jì)算任何增益組合所需的反饋電阻。一個(gè)虛擬變量(j)充當(dāng)計(jì)數(shù)器，以保持之前的反饋電阻的連續(xù)總數(shù)。

u 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2：

根據(jù)i = 1 → (M-1)，以迭代的方式求等式1的值

然后，可以使用以下等式計(jì)算中心電阻RG：

在進(jìn)行最后一步計(jì)算之后，表1中的所有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

以下這些圖顯示了使用此PGIA配置可以實(shí)現(xiàn)的性能：

圖5.PGIA大信號(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)置(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(jiàn)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(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)置。

圖7.PGIA小信號(hào)低增益峰化

結(jié)論

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(shuō)明了其設(shè)計(jì)步驟以及性能測(cè)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。