信号链基础知识:探讨可编程增益放大器驱动参考引脚

可编程增益放大器 (PGA) 是特殊的放大器结构（请参见图 1），具有经过修整的内部电阻器网络，拥有比采用离散式电阻器组件的放大器更高的性能。正如图 1 中 PGA 传输函数所显示那样，PGA 输出的绝对误差与内部偏移电压(V_OS)、增益精度和 V_REF 绝对精度有关。
 

 

图 1 相应传输函数的PGA 配置举例

 
在一些使用 PGA 的应用中，关键的 DC 规范为 V_OS、增益精度与偏移、噪声以及静态功耗。如果参考引脚 V_REF 不以运算放大器缓冲电路驱动，则 PGA 传输函数的精度会受到极大影响。另外，从 AC 的角度来看，一个常见的难题是维持频率下的增益精度，其会受到参考引脚电压 V_REF 以及对它起到缓冲作用的运算放大器的影响。
 
考虑到带宽、A_OL(ω)、R_O(ω) 和运算放大器缓冲电路的反馈系数 (β)（请参见图 2）大小的情况下，我们便可以更好地理解运算放大器效应对 V_REF 所产生的影响。
 

 
图 2 V_ref 缓冲分压器电压

 
由于缓冲器本身 β = 1，因此输出电压 V_REF 等于 A_OLV_IN。V_REF 流入缓冲放大器反相输入端的输入偏置电流，决定了负载电流的大小程度。这一点非常重要，因为负载电流的大小会调节环路增益 (A_OLβ) 和闭环输出阻抗 R_OUT。
 
图 2 显示了 V_REF 缓冲器的闭环内部电路：R_out、R_o 和 A_OL 之间的重要关系如方程式 1 所示：
 

                                                              方程式 1

 
总之，随着频率不断增加，运算放大器通过减小 A_OL、增加 R_out 以及延长稳定时间来保持固定输出电压和低阻抗的能力下降。这会影响 PGA 增益误差的精度。
 
为了方便说明，请思考图 3 所示单端 PGA 之例。输入信号 V_IN 有其 DC 组成部分 (2.5V)，而 AC 信号为一个 200 mVpp、5 kHz 正弦波：
 

图 3 缓冲器单端 PGA

 
图 4 以 TINA Spice 中的"万用表"功能对图 5 进行分析

 
我们可以利用 TINA Spice 中的"万用表"功能（请参见图 4），获得输入电压对输出电压的 RMS 值，并用其计算总输出误差，具体计算方法如方程式 2 和 3：

 
                                        方程式 2
 
         方程式 3

 
例如，微功耗精密运算放大器 OPA333 便拥有 ~350 kHz 的增益带宽 (GBW) 积。因此，在 5 kHz下，闭环特性会下降到造成第二个运算放大器（如OPA376）输出端产生 0.08% 误差的程度。若使用一个更高 GBW 的放大器（如：另一个精密运算放大器）便可减小这种误差。
 
通过在 TINA SPICE 中绘制出传输函数 (V_OUT/V_IN) 与频率曲线图的关系图，我们可以直观地看到改变阻抗频率的效果（请参见图 5）。请注意，相比 OPA333， OPA376 当作缓冲器时，增益与频率的关系更加恒定：
 

图 5 OPA333 和 OPA376 缓冲器比较图

 
结果表明，把一个带宽较高的运算放大器（例如：OPA376 等）用作 V_REF 缓冲放大器，可明显改善总输出误差。
 
下次，我们将讨论音频处理系统中不断增加的 THD（原因和方法分析）。