|
具有寬動(dòng)態(tài)范圍的大多數數據采集系統需要某種方法來(lái)調整模數轉換器(ADC)的輸入信號電平，以便最大限度地利用ADC的滿(mǎn)刻度輸入電壓范圍。為了達到這個(gè)目的，通常在傳感器和ADC之間會(huì )放一個(gè)可編程增益放大器(PGA)或可變增益放大器(VGA)，如圖1所示。在PGA/VGA之前或之后可能會(huì )用到額外的信號調節電路，取決于具體應用。 圖1數據采集系統中的可編程增益放大器。 當需要高增益時(shí)，可編程增益放大器電路的拓撲設計值得三思。由于噪聲和運放失調電流的原因，不建議使用具有很高阻值(>1MΩ)的反饋電阻。另外，對于反相放大器來(lái)說(shuō)，高增益可能導致低輸入阻抗。 本設計實(shí)例提出了一種能夠滿(mǎn)足這些要求的可編程增益放大器電路。圖2顯示了兩種版本，它們都具有8個(gè)數字可編程的增益值。 圖2a反相可編程增益放大器電路。 圖2b同相可編程增益放大器電路。 雖然用這些電路實(shí)現的增益數量等于2n，其中n是所用MOSFET的數量，但實(shí)際上只能實(shí)現n+1個(gè)獨立的增益值。 信號D1、D2和D3選擇放大器的增益。開(kāi)關(guān)一般是“邏輯電平的”MOSFET，其RDSon要盡可能低(比如RDSon (typ) = 1Ω的2N7002P，或RDSon (typ) = 0.05Ω的IRLML2502)。在圖2a所示放大器電路中可以選擇的獨立增益值有： 對于圖2a來(lái)說(shuō)，當使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的MOSFET時(shí)，如果輸入電壓(vi)的值太高，MOSFET體二極管將開(kāi)始導通，從而使放大器的輸出電壓變得失真。為了避免這個(gè)問(wèn)題，以下條件必須得到滿(mǎn)足： 其中vF是MOSFET的體二極管正向電壓(vF > 0)。 當只有一個(gè)MOSFET時(shí)，輸入電壓必須滿(mǎn)足以下條件才能避免體二極管導通： 在圖2b所示的放大器電路中可以選擇的獨立增益有： 對于圖2b來(lái)說(shuō)，當使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的MOSFET時(shí)，如果輸入電壓(vi)的負數值太大，MOSFET體二極管也會(huì )導通。為了避免這個(gè)問(wèn)題，以下條件必須得到滿(mǎn)足： 當只有一個(gè)MOSFET時(shí)，輸入電壓必須滿(mǎn)足以下條件才能避免體二極管導通： 圖3是圖2a所示電路的實(shí)際應用例子。在這個(gè)例子中，可編程增益放大器用于放大前置電路的輸出電壓(vi)，前置電路的作用是對羅氏線(xiàn)圈產(chǎn)生的信號進(jìn)行積分和濾波。 圖3基于羅氏線(xiàn)圈的交流測量系統。 我們且作這樣的假設：采樣信號vo = k·i(t)的ADC的參考電壓vref+ = 2.5v及vref- = -2.5v，羅氏線(xiàn)圈的靈敏度是30μV/A，積分器/高通濾波器的增益等于1.2 ≡ 1.64 dB@50Hz，而且我們想測量均方根1280A、320A、80A和20A范圍內的交流電流。根據前面的數據，我們應該能夠選擇的增益是：G0 = -38.363, G1 = -153.452, G2 = -613.808, G3 = -2455.2。計算這些電阻值的簡(jiǎn)單方法是：Rα3 = 300·RDS-on = 300·1Ω = 300Ω ?我們將電阻Rα設為最小值，確保RDS-on的值對放大器增益沒(méi)有顯著(zhù)的影響。 用計算后的值得到的增益是(理論值顯示在方括號中)： 對于同相設計來(lái)說(shuō)，以下方法可以用來(lái)選擇提供增益G0 = 38.363, G1 = 153.452, G2 = 613.808, G3 = 2455.2的電阻值： 用計算出來(lái)的值獲得的增益是： |
