用可编程增益放大器实现高增益

具有宽动态范围的大多数数据采集系统需要某种方法来调整模数转换器(ADC)的输入信号电平，以便最大限度地利用ADC的满刻度输入电压范围。为了达到这个目的，通常在传感器和ADC之间会放一个可编程增益放大器(PGA)或可变增益放大器(VGA)，如图1所示。在PGA/VGA之前或之后可能会用到额外的信号调节电路，取决于具体应用。


图1数据采集系统中的可编程增益放大器。

当需要高增益时，可编程增益放大器电路的拓扑设计值得三思。由于噪声和运放失调电流的原因，不建议使用具有很高阻值(>1MΩ)的反馈电阻。另外，对于反相放大器来说，高增益可能导致低输入阻抗。

本设计实例提出了一种能够满足这些要求的可编程增益放大器电路。图2显示了两种版本，它们都具有8个数字可编程的增益值。


图2a反相可编程增益放大器电路。


图2b同相可编程增益放大器电路。

虽然用这些电路实现的增益数量等于2n，其中n是所用MOSFET的数量，但实际上只能实现n+1个独立的增益值。

信号D1、D2和D3选择放大器的增益。开关一般是“逻辑电平的”MOSFET，其RDSon要尽可能低(比如RDSon (typ) = 1Ω的2N7002P，或RDSon (typ) = 0.05Ω的IRLML2502)。在图2a所示放大器电路中可以选择的独立增益值有：



对于图2a来说，当使用两个或两个以上的MOSFET时，如果输入电压(vi)的值太高，MOSFET体二极管将开始导通，从而使放大器的输出电压变得失真。为了避免这个问题，以下条件必须得到满足：     



其中vF是MOSFET的体二极管正向电压(vF > 0)。

当只有一个MOSFET时，输入电压必须满足以下条件才能避免体二极管导通：


   
在图2b所示的放大器电路中可以选择的独立增益有：      



对于图2b来说，当使用两个或两个以上的MOSFET时，如果输入电压(vi)的负数值太大，MOSFET体二极管也会导通。为了避免这个问题，以下条件必须得到满足：


   
当只有一个MOSFET时，输入电压必须满足以下条件才能避免体二极管导通：


     
图3是图2a所示电路的实际应用例子。在这个例子中，可编程增益放大器用于放大前置电路的输出电压(vi)，前置电路的作用是对罗氏线圈产生的信号进行积分和滤波。


图3基于罗氏线圈的交流测量系统。   

我们且作这样的假设：采样信号vo = k·i(t)的ADC的参考电压vref+ = 2.5v及vref- = -2.5v，罗氏线圈的灵敏度是30μV/A，积分器/高通滤波器的增益等于1.2 ≡ 1.64 dB@50Hz，而且我们想测量均方根1280A、320A、80A和20A范围内的交流电流。根据前面的数据，我们应该能够选择的增益是：G0 = -38.363, G1 = -153.452, G2 = -613.808, G3 = -2455.2。计算这些电阻值的简单方法是：Rα3 = 300·RDS-on = 300·1Ω = 300Ω ?我们将电阻Rα设为最小值，确保RDS-on的值对放大器增益没有显著的影响。



用计算后的值得到的增益是(理论值显示在方括号中)：



  
对于同相设计来说，以下方法可以用来选择提供增益G0 = 38.363, G1 = 153.452, G2 = 613.808, G3 = 2455.2的电阻值：   



用计算出来的值获得的增益是：