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）（在某些文獻中也稱為軟件可編程增益放大器（SPGA））的設計。之所以需要這種PGIA，是因為經(jīng)常遇到使電路適應各種傳感器或環(huán)境條件的情況。對于固定增益，系統(tǒng)設計人員可能不得不應對次優(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)建準確和穩(wěn)定的PGIA的技術(shù)，該文章指出了這種設計可能存在的缺陷，并對可用的解決方案和技術(shù)進行了全面調(diào)查。在本文中，我將介紹另一種促進此類工作的工具和方法，我將介紹設計步驟，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的值設定。要使用這樣的設備創(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復雜化，例如開關(guān)導通電阻、通道電容以及通道電阻隨施加電壓的變化。

標準儀表放大器架構(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地切換增益設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)導通電阻（R上） 標稱值及其變化。

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)的任何變化都會導致失真。

當配置為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，以達到RG，S端子。相反，增益設置電阻是+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)設置為短引腳S3和D3時，以下是相應的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。反饋電阻和增益設置電阻是交互式的;因此，公式必須是一個序列，其中當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。

在進行任何計算之前，建議繪制一個類似于圖3中的網(wǎng)絡的電阻網(wǎng)絡。網(wǎng)絡將有 （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。

圖6.PGIA CMRR 與頻率的關(guān)系。

使用ADG444的開關(guān)電容時，在最低增益設置（G1 = 2 V/V）下，小信號頻率響應顯示出一些明顯的峰值（見圖7）。此行為僅在較低增益設置下顯示，其中 LT6372-1 帶寬擴展得足夠高，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，并詳細說明了設計步驟以及性能測量。LT6372-1 具有高度線性度，并提供精準的 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