經(jīng)典儀表放大器的全新變體提供了更大的設(shè)計靈活性

盡管儀表放大器（IA）在與傳感器接口時非常有用且用途廣泛，但也存在一些限制因素，阻礙了可變增益IA或可編程增益儀表放大器（PGIA）（在某些文獻(xiàn)中也稱為軟件可編程增益放大器（SPGA））的設(shè)計。之所以需要這種PGIA，是因為經(jīng)常遇到使電路適應(yīng)各種傳感器或環(huán)境條件的情況。對于固定增益，系統(tǒng)設(shè)計人員可能不得不應(yīng)對次優(yōu)SNR，這可能會影響精度。我的同事的《模擬對話》文章“可編程增益儀表放大器：找到適合您的放大器”中討論了許多有助于創(chuàng)建準(zhǔn)確和穩(wěn)定的PGIA的技術(shù)，該文章指出了這種設(shè)計可能存在的缺陷，并對可用的解決方案和技術(shù)進(jìn)行了全面調(diào)查。在本文中，我將介紹另一種促進(jìn)此類工作的工具和方法，我將介紹設(shè)計步驟，這些步驟使人們能夠快速了解使用新發(fā)布的儀表放大器創(chuàng)建精確PGIA所需的外部元件值。

一種新的儀表放大器架構(gòu)

一種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RG的值設(shè)定。要使用這樣的設(shè)備創(chuàng)建PGIA，只需切換RG的值即可。這通常使用模擬開關(guān)或多路復(fù)用器來完成。然而，模擬開關(guān)的一些非理想行為使這項任務(wù)復(fù)雜化，例如開關(guān)導(dǎo)通電阻、通道電容以及通道電阻隨施加電壓的變化。

標(biāo)準(zhǔn)儀表放大器架構(gòu)的一個變體如圖2所示。請注意 RG 引腳如何分解為 ±RG、S 和 ±RG，F(xiàn)，并單獨引腳化并從器件封裝外部訪問。

圖2.LT6372-1架構(gòu)允許訪問某些IA內(nèi)部節(jié)點。

圖2所示架構(gòu)的一個重要特性是能夠配置儀表放大器，使其能夠在幾個不同的增益值之間切換，同時最大限度地減少由于開關(guān)電阻有限而導(dǎo)致的任何增益誤差。此功能可用于創(chuàng)建 PGIA。

如前所述，任何可編程儀表放大器的電阻都可以通過相應(yīng)地切換增益設(shè)置電阻的值來改變其增益。但是，這樣做存在明顯的缺點，例如：

開關(guān)導(dǎo)通電阻（R上） 標(biāo)稱值及其變化。

由于低開關(guān)R，可能無法實現(xiàn)高增益值上必需值。

開關(guān)非線性引起的信號失真。這是因為信號電流直接流過R上因此，其值作為電壓函數(shù)的任何變化都會導(dǎo)致失真。

當(dāng)配置為PGIA時，LT6372-1可以緩解這些問題，如圖3所示，因為RG、F和RG、S引腳是單獨引腳排列的。在本原理圖中，來自惠斯通電橋（由R5至R8組成）的信號被放大，用戶可根據(jù)選擇的SW1開關(guān)位置選擇四個可能的增益值。LT6372 系列引出腳配置允許人們創(chuàng)建一個 PGIA，該 PGIA 利用改變 RF/RG 的比率來獲得所需的增益值。

圖3.LT6372-1 PGIA 橋接口，具有四個增益設(shè)置。

此外，U1、U2模擬開關(guān)R上作為增益誤差源最小化，因為它可以與輸入級反相端子及其反饋電阻串聯(lián)放置。以這種方式配置，R上僅占內(nèi)部12.1 kΩ總反饋電阻的一小部分，因此對增益誤差和漂移影響很小。同樣，由于R，開關(guān)非線性引起的失真被最小化。上值是總反饋電阻的一小部分，由于其值隨電壓的變化而幾乎沒有影響。此外，該器件的輸入級由電流反饋放大器（CFA）架構(gòu)組成，與傳統(tǒng)電壓反饋放大器相比，其性質(zhì)允許帶寬或速度變化較小，增益變化較小。

圖4顯示了PGIA的簡化圖，用于演示電阻梯形圖的不同抽頭（由模擬開關(guān)（總共8個）實現(xiàn)，一次短路兩個以設(shè)置增益，配置電路。在此圖中，兩個開關(guān)組以四個可能的增益值之一表示;即 –RG、S 和 +RG，S 引腳短路到 RF3/RF4 結(jié)。

圖4.用于PGIA的LT6372-1框圖和簡化的外部連接（未顯示增益開關(guān)）。

針對任何增益計算外部電阻的設(shè)計步驟

圖3顯示了完整的PGIA配置，包括所需的開關(guān)，可以適應(yīng)任意大的增益范圍。此處包括四個可能的增益值，但可以通過在設(shè)計中添加更多開關(guān)來增加該數(shù)字。如前所述，允許訪問RG，F(xiàn)和RG，S引腳的功能使RF能夠增加大增益，并降低RG以獲得低增益，以創(chuàng)建多功能PGIA。出于增益計算的目的，可以將反饋電阻視為內(nèi)部12.1 kΩ調(diào)整電阻加上與RG，F(xiàn)串聯(lián)的其他電阻，以達(dá)到RG，S端子。相反，增益設(shè)置電阻是+RG，S和–RG，S之間的總電阻。這總結(jié)為：

RF = 12.1 kΩ + 兩個輸入放大器上 RG、F 和 RG，S 之間的電阻

RG = +RG，S 和 –RG，S 之間的電阻

這種配置可實現(xiàn)大于1 V/V至1000 V/V的增益。在U1和U2開關(guān)上將開關(guān)設(shè)置為短引腳S3和D3時，以下是相應(yīng)的RF和RG值以及由此產(chǎn)生的增益：

射頻 = 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

不難看出，決定外部電阻使用哪些值是一個迭代和相互依賴的過程，其中可能的增益值相互作用并影響要使用的電阻的選擇。表1列出了一些常見的增益值分量值，以便于參考，但也有多種其他增益組合（G）。

確定PGIA值的程序增益網(wǎng)絡(luò)中的各個電阻可以使用公式1中的公式按順序計算。該公式確定圖3所示的電阻，其中表1中的情況2（增益2、20、200和500 V/V）用作計算示例。反饋電阻和增益設(shè)置電阻是交互式的;因此，公式必須是一個序列，其中當(dāng)前項依賴于前面的項。公式由下式給出：

以下是一些定義：

RF1= 12.1 kΩ （LT6372-1 內(nèi)部）

M：增益數(shù)（本例中為 4）

Gi：增益實例（G 為 2、20、200 或 500 V/V1– G4分別是本例）

i：從 1 到 （M-1） 不等以計算射頻I + 1

公式1可用于計算任何一組增益所需的反饋電阻。虛擬變量 （j） 用作計數(shù)器，以保持上述反饋電阻的運行總計。

在進(jìn)行任何計算之前，建議繪制一個類似于圖3中的網(wǎng)絡(luò)的電阻網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)將有 （2 × M） – 1 個電阻，其中 M = 增益數(shù)。在本例中，M = 4，因此，電阻串將有七個電阻。公式1需要計算i = 1 → （M – 1）。

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

從公式 2：

從i = 1 →迭代計算公式1 （M-1）

然后可以使用以下命令計算中心電阻RG：

通過最后一次計算，計算表1所示的所有四個電阻值，并完成設(shè)計計算。

測量的性能圖

以下是一些圖，顯示了使用此PGIA配置可以實現(xiàn)的性能：

圖5.PGIA大信號頻率響應(yīng)。

圖6.PGIA CMRR 與頻率的關(guān)系。

使用ADG444的開關(guān)電容時，在最低增益設(shè)置（G1 = 2 V/V）下，小信號頻率響應(yīng)顯示出一些明顯的峰值（見圖7）。此行為僅在較低增益設(shè)置下顯示，其中 LT6372-1 帶寬擴(kuò)展得足夠高，以受到開關(guān)的 pF 范圍電容的影響。選擇較低電容開關(guān)（例如，電容為5 pF的ADG611/ADG612/ADG613）或限制PGIA的最低增益設(shè)置是解決這種副作用的方法。

圖7.PGIA小信號低增益峰值。

結(jié)論

介紹了一種利用新發(fā)布的一組器件 LT6372 系列的引腳排列特性來增加儀表放大器增益選擇功能的方法。分析了這種PGIA的特性，并詳細(xì)說明了設(shè)計步驟以及性能測量。LT6372-1 具有高度線性度，并提供精準(zhǔn)的 DC 規(guī)格和性能，因此是此類解決方案的獨特選擇。

審核編輯：郭婷