具有寬動態範圍的大多數資料擷取系統需要某種方法來調整類比數位轉換器(ADC)的輸入訊號電平,以便最大限度地利用ADC的滿刻度輸入電壓範圍。為了達到這個目的,通常在感測器和ADC之間會放一個可程式增益放大器(PGA)或可變增益放大器(VGA),如圖1所示。在PGA/VGA之前或之後可能會用到額外的訊號調節電路,取決於具體應用。


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圖1 資料擷取系統中的可程式設計增益放大器。



當需要高增益時,可程式設計增益放大器電路的拓撲設計值得三思。由於雜訊和運算放大器失調電流(offset current)的原因,不建議使用具有很高阻值(大於1MΩ)的回饋電阻。另外,對於反相放大器來說,高增益可能導致低輸入阻抗。


本設計實例提出了一種能夠滿足這些要求的可程式設計增益放大器電路。圖2顯示了兩種版本,它們都具有8個數位可程式增益值。


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圖2a 反相可程式增益放大器電路。



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圖2b 同相可程式增益放大器電路。



雖然用這些電路實現的增益數量等於2n,其中n是所用MOSFET的數量,但實際上只能實現n+1個獨立的增益值。


訊號D1、D2和D3選擇放大器的增益。開關一般是「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:


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公式1



限制

對於圖2a來說,當使用兩個或兩個以上的MOSFET時,如果輸入電壓(vi)的值太高,MOSFET體二極體將開始導通,從而使放大器的輸出電壓變得失真。為了避免這個問題,以下條件必須得到滿足:


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公式2



其中vF是MOSFET的體二極體正向電壓(vF>0)。


當只有一個MOSFET時,輸入電壓必須滿足以下條件才能避免體二極體導通:


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公式3



在圖2b所示的放大器電路中可以選擇的獨立增益有:


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公式4



對於圖2b來說,當使用兩個或兩個以上的MOSFET時,如果輸入電壓(vi)的負數值太大,MOSFET體二極體也會導通。為了避免這個問題,以下條件必須得到滿足:


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公式5



當只有一個MOSFET時,輸入電壓必須滿足以下條件才能避免體二極體導通:


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公式6



圖3是圖2a所示電路的實際應用例子。在這個例子中,可程式設計增益放大器用於放大前置電路的輸出電壓(vi),前置電路的作用是對羅氏線圈產生的訊號進行積分和濾波。


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圖3 基於羅氏線圈的交流測量系統。



我們且作這樣的假設:採樣訊號vo=k·i(t)的ADC的參考電壓vref+=2.5v及vref-=-2.5v,羅氏線圈的靈敏度是30uV/A,[email protected][email protected]交流電流。根據前面的資料,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有顯著的影響。


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公式7



用計算後的值得到的增益是(理論值顯示在方括號中):


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公式8



對於同相設計來說,以下方法可以用來選擇提供增益G0=38.363、G1=153.452、G2=613.808、G3=2455.2的電阻值:


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公式9



用計算出來的值獲得的增益是:


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公式10