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A New Variation of the Classic Instrumentation Amplifier (PGIA) Offers More Design Flexibility 作者：ADI公司 Hooman Hashemi，產(chǎn)品應用工程師 簡(jiǎn)介 與傳感器連接時(shí)，儀表放大器(IA)作用強大且功能多樣，但也存在一些限制，會(huì )阻礙可變增益IA或可編程增益儀表放大器(PGIA)的設計。在有些文獻中，后者也被稱(chēng)為軟件可編程增益放大器(SPGA)。因為經(jīng)常遇到要求根據各種各樣的傳感器或環(huán)境條件調節電路的情況，我們需要這類(lèi)PGIA。采用固定增益時(shí)，系統設計人員可能不得不應對欠佳的SNR，這會(huì )降低精度。我的同事發(fā)表了《模擬對話(huà)》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、穩定的PGIA的技術(shù)。文章中指出了這種設計可能存在的缺陷，并展示了對可用解決方案和技術(shù)的全面調查。在本文中，我將介紹另一種促進(jìn)這項工作的工具和方法，我會(huì )逐一介紹每個(gè)設計步驟，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 常見(jiàn)的儀表放大器架構如圖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)設定。要使用這類(lèi)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任務(wù)變得復雜——例如開(kāi)關(guān)的導通電阻、通道電容，以及通道電阻隨施加電壓的變化。 圖2所示為基于標準儀表放大器結構的變化版本。注意RG引腳如何被分解成±RG,S和±RG,F，單獨引出，并從器件封裝外部進(jìn)行配置。
圖2.LT6372-1架構允許配置一些IA內部節點(diǎn) 圖2所示的架構有一個(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： 開(kāi)關(guān)導通電阻(RON)標稱(chēng)值及其變化會(huì )造成較大的增益誤差。 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。 開(kāi)關(guān)非線(xiàn)性會(huì )引起信號失真。這是因為信號電流直接流過(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LT6372-1配置為PGIA時(shí)，可以緩解這些問(wèn)題，因為RG,F和RG,S引腳是單獨引出的。在這個(gè)原理圖中，惠斯登電橋（由R5至R8組成）產(chǎn)生的信號被放大，提供4個(gè)可能的增益值，用戶(hù)可根據選擇的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，因為它可以與輸入級反相端口及其反饋電阻串聯(lián)。這樣配置之后，RON只占內部12.1 kΩ反饋電阻總量的一小部分，因此對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(xiàn)性引起的失真可降至最低。此外，此器件的輸入級由電流反饋放大器(CFA)架構組成，與傳統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，而傳統的電壓反饋架構帶寬與增益(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，每次短接2個(gè)來(lái)設置增益）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。
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)） 用于計算外部電阻的增益的設計步驟 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)在設計中增加更多開(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。為了計算增益，我們可以將反饋電阻計為內部12.1 kΩ調整電阻加上RG,F到RG,S端口連接上與RG,F串聯(lián)的其他電阻。相反，增益設置電阻是+RG,S和-RG,S之間的總電阻�？偨Y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U1和U2開(kāi)關(guān)上的開(kāi)關(guān)都設置為的短路引腳S3和D3時(shí)，對應的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
確定PGIA的值的步驟 我們可以使用等式1中的公式依序計算增益網(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。反饋電阻與增益設置電阻是交互式的；因此，公式必須是當前項取決于之前項的一個(gè)系列。計算公式如下：
以下是一些定義： RF1 = 12.1 kΩ（LT6372-1的內置電阻） M：增益數量（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，用于計算RFi + 1
等式1可用于計算任何增益組合所需的反饋電阻。一個(gè)虛擬變量(j)充當計數器，以保持之前的反饋電阻的連續總數。 在計算之前，建議先繪制與圖3所示的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)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。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i = 1 → (M – 1)求等式1的值。 G1 = 2，G2 = 20，G3 = 200，G4 = 500 V/V 根據等式2：
根據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算中心電阻RG：
在進(jìn)行最后一步計算之后，表1中的所有4個(gè)電阻值都經(jīng)過(guò)計算，設計的計算過(guò)程完成。 測量的性能圖 以下這些圖顯示了使用此PGIA配置可以實(shí)現的性能：
圖5.PGIA大信號頻率響應
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置(G1 = 2 V/V)下，小信號頻率響應出現一些明顯的峰化（參見(jiàn)圖7）。這種現象只在采用較低的增益設置時(shí)才會(huì )出現，因為L(cháng)T6372-1的帶寬擴展到足以受到開(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的最低增益設置。
圖7.PGIA小信號低增益峰化 結論 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，并詳細說(shuō)明了其設計步驟以及性能測量值。LT6372-1具有高線(xiàn)性度，提供精確的直流規格和性能，因此非常適合用于此類(lèi)解決方案。 作者簡(jiǎn)介 Hooman Hashemi于2018年3月加入ADI公司，從事新產(chǎn)品指標測試和展示產(chǎn)品特性與用途的應用開(kāi)發(fā)工作。Hooman此前曾在Texas Instruments工作了22年，擔任應用工程師，專(zhuān)注于高速產(chǎn)品系列。他于1989年8月畢業(yè)于圣克拉拉大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位；1983年12月畢業(yè)于圣何塞州立大學(xué)，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：hooman.hashemi@analog.com。 |
