具有可編程增益級的運算放大器的性能與應(yīng)用分析

運算放大器已經(jīng)證明了它們在設(shè)計人員庫中作為高功能構(gòu)建模塊的實用性。這些通用電路元件可輕松轉(zhuǎn)換為緩沖器，放大器，加法器，反相器，積分器，微分器，乘法器，并可用于單端和差分信號調(diào)理。從某種意義上說，改變反饋電阻的能力允許所有運算放大器具有可編程的增益。但是，使用固定反饋電阻會使此增益成為靜態(tài)值。動態(tài)可配置增益級是運算放大器的又一種排列，可為模擬和混合信號設(shè)計提供更多功能和靈活性。

本文介紹了具有可編程增益級的運算放大器，以及它們?nèi)绾斡糜谔岣呋?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器的設(shè)計的性能和功能。對于要在復(fù)雜的基于傳感器的應(yīng)用中使用的精密運算放大器，設(shè)計人員需要考慮多個方面以獲得最佳的規(guī)格和性能組合，同時平衡成本考慮因素。本文將研究制作您自己的可編程增益運算放大器的方法，以及“現(xiàn)成的”市售部件。雖然沒有簡單的“一刀切”公式，但以下示例顯示了運算放大器選擇如何幫助實現(xiàn)關(guān)鍵應(yīng)用目標。

低成本傳感

雖然一些更先進和昂貴的傳感器是混合信號系統(tǒng)，但低成本應(yīng)用將使用傳感器作為傳感器和運算放大器作為信號調(diào)理和校準元件。傳感器通常需要進行校準，偏移和放大，以便在此處使用。此外，這些傳感器的值可能隨著時間和溫度的變化而變化。

對于低精度應(yīng)用，例如可編程恒溫器，其中一定程度的誤差并不重要，固定增益級將讓您進入大球場。但是，當(dāng)精度是必須的時，具有精細粒度的可編程增益級允許您通過允許您在需要時校準和偏移（甚至“放大”）您想要檢測的特定范圍來從傳感器系統(tǒng)中提取更高的精度。進行測量。

讓我們使用熱敏電阻作為傳感器的一個例子，用作溫度傳感器。作為一個簡單的可變電阻，它反映了溫度隨電阻的變化而變化。作為一種簡單的低成本傳感器，即使制造工藝是第一品質(zhì)，在不同部件之間的相同溫度下的電阻也可能存在差異。

因此，設(shè)計中的微控制器不僅需要轉(zhuǎn)換其A/D接收的值，還應(yīng)該補償這些變化，以及布線的影響（可以長期運行）一些設(shè)計）。

你可以在你的板上添加修整器并校準每個單元。然而，這增加了成本并且仍然可以隨時間和溫度漂移。您可以在固件中添加查找表，但這也會增加制造步驟和成本，因為需要更多內(nèi)存來保存查找表，并且每個單元必須經(jīng)過校準周期。

可用選項

標準運算放大器和簡單的模擬開關(guān)可以進行校準偏移和滿量程范圍調(diào)整（圖1）。這里，可以接通接地參考，以便當(dāng)讀取的值應(yīng)為零時，讓A/D轉(zhuǎn)換器知道零偏移誤差是什么。微型讀取的A/D值可以使固件增加或減去校正該調(diào)整的零點所需的值。

圖1：標準運算放大器可與模擬開關(guān)一起使用，以確定校準軟件的偏移值。也可以讀取滿量程值，但為了最大化動態(tài)范圍，需要增益/衰減控制。

或者，切換一個表示滿量程值的參考，讓微觀知道實際讀數(shù)應(yīng)該是什么。應(yīng)調(diào)整輸出運算放大器的增益，以反映微量應(yīng)在滿量程時看到的值，甚至可以補償長電纜中的IR壓降。您可以在增益級使用高分辨率數(shù)字微調(diào)電位器（如ADI公司的AD5231BRUZ10）來完成此任務(wù)（圖2）。

圖2：在運算放大器的反饋中添加數(shù)字微調(diào)電位器可以提供精細的可調(diào)增益粒度，從而最大限度地提高傳感器的動態(tài)范圍。

正如您所看到的，動態(tài)調(diào)整增益級的能力為您的傳感器設(shè)計增加了另一層控制和功能，有很多方法可以實現(xiàn)，具體取決于您需要支持的分辨率和范圍。如果需要考慮空間并且可靠性需要非常高，那么如果增益步長足夠小以精細調(diào)諧信號，則單片可調(diào)增益運算放大器可能是最佳選擇。幸運的是，有許多供應(yīng)商和零件可供選擇。

對于更高帶寬的信號，您可能需要查看德州儀器THS7002CPWP，這是一款雙通道，高帶寬，可調(diào)增益運算放大器，具有100 MHz，-3 dB增益帶寬（70 MHz單位增益帶寬積）。其3位數(shù)字控制增益級提供6 dB步長衰減，以獲得-22至20 dB的端點（圖3）。低噪聲電壓反饋前置放大器有助于確保變化的輸入阻抗不會影響增益級，也可用于實現(xiàn)濾波。 THS7001CPWP是TI提供的單運放器件。

圖3：數(shù)字地址位選擇所需的增益值，獨立的電壓反饋前置放大器支持抗混疊濾波。

使用地址位選擇增益步驟的另一種方法是使用串行總線。例如，MCP6S93T-E/UN也是一個雙可編程增益運算放大器，具有8個可編程增益步長，但它不使用尋址方案，而是使用SPI端口，使用內(nèi)部電阻梯選擇預(yù)編程設(shè)置（圖4）。這個18 MHz的軌到軌部件具有1％的增益誤差，但僅使用2.5至5.5 V的單電源供電，這使其成為模擬信號調(diào)理的理想選擇，可為A/D提供微控制器。

圖4：地址位的替代方案是串行總線接口。這只需要幾根電線，但可以在沒有更多引腳和更大封裝的情況下控制更多步驟。

另一個感興趣的SPI可調(diào)部分來自Maxim，其雙MAX9939AUB +具有2.15 MHz增益帶寬積和6位可調(diào)增益級，通過SPI端口可編程增益從.2到157。一個很好的功能是內(nèi)部SPI可調(diào)偏移和測量芯片偏移的能力。

為此，運算放大器將其反相輸入與外部引腳斷開，并將其短接至同相輸入。這允許讀入輸入共模偏移誤差并用作軟件中的校準因子?？梢詫?nèi)部4位偏移電壓進行編程，以補償零點校準。它還包含一個內(nèi)部VCC/2參考，用于在單軌情況下對AC波形進行定心（圖5）。

圖5：除了可調(diào)增益之外，可調(diào)偏移允許更高的積分用于校準目的，因為這些功能不需要在外部實現(xiàn)。還提供了VCC/2參考，用于在單軌設(shè)計中使AC信號居中。

正如您所知，運算放大器可用于差分連接到傳感器，這幾乎消除了共模噪聲問題，尤其是在信號電平最低的測量源。當(dāng)在遠程位置一起使用換能器和運算放大器時，可能需要通過雙絞線差分地發(fā)送運算放大器輸出，以消除從運算放大器到遠程A/D轉(zhuǎn)換器的共模噪聲。還有可編程增益運算放大器，差分輸出隨時可用。

以國家（現(xiàn)在的TI）LMP7312MA/NOPB數(shù)字可編程，可變增益放大器/衰減器為例，具有差分輸出（圖6）。 LMP7312通過SPI端口控制，可以從傳感器到A/D差分放大和傳遞高達1 MHz的傳感器信號，或者可以在雙極性輸入到單端輸出模式下工作。衰減器能夠處理±15 V信號，增益級提供6個精確步長（在數(shù)據(jù)表中定義），具有出色的保證0.035％最大增益誤差。

圖6：任何運算放大器都支持差分輸入，但有些運算放大器還直接提供差分輸出。這對于驅(qū)動雙絞線布線以實現(xiàn)共模噪聲抑制非常有用。

也可選擇高阻抗模式，除了將其從電路中移除之外。它還具有零開關(guān)，允許讀取內(nèi)部放大器的偏移量以進行校準。

結(jié)論

可編程增益運算放大器在構(gòu)建混合信號和基于傳感器的設(shè)計時提供更高水平的功能密度，靈活性和控制。各種零件，包括精度，速度，偏移調(diào)整和校準模式，為我們提供了可靠和精確設(shè)計的最佳成本/性能點。

與任何良好的設(shè)計實踐一樣，第一個標準始終必須是實現(xiàn)系統(tǒng)的精度和性能操作目標，因此低增益，低漂移和高增益情況下的精度始終是成功的關(guān)鍵因素。

系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在可以從更廣泛的精密運算放大器中進行選擇，使其能夠有效地滿足最嚴格的性能和精度要求。