基于TI器件的电子竞赛常用模拟系统设计与实践——第7课 程控放大器的实现方法

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查看: 537回复: 3 发表于 2019-6-3 10:42:44   只看该作者
本帖最后由 xxl1925 于 2019-6-3 10:47 编辑

第7课   程控放大器的实现方法

      在过程控制及测试仪表中,被测量或被控制对象的有关参数往往是一些连续变化的模拟量,而且变化范围很宽,为了保证必要的测量精度,常会采用改变量程的办法。改变量程时,测量放大器的增益也应相应地加以改变;另外,在数据采集系统中,对于输入的模拟信号一般都需要加前置放大器,以使放大器输出的模拟电压适合于模数转换器的电压范围,但被测信号变化的幅度在不同的场合表现不同动态范围,信号电平可以从微伏级到伏级,模数转换器不可能在各种情况下都与之相匹配,如果采用单一的增益放大,往往使A/D转换器的精度不能最大限度地利用,或致使被测信号削顶饱和,造成很大的测量误差,甚至使A/D转换器损坏。通过程控放大器,可以很方便地把上述被测信号变换成与测量或控制电路所需要的电压信号。
程控放大器,全称为程控增益放大器,即放大器的放大倍数(增益)不是固定的,而是可以通过人为设置的。程控放大器既可以放大信号,也可以衰减信号。一般把程控放大器分为多路模拟开关和运放实现的程控放大器、数字电位器和仪表放大器实现的程控放大器、可编程增益放大器(PGA)和可变增益放大器(VGA)四种。
程控放大器最简单的方法是多路模拟开关和运放实现的程控放大器,它原理简单,通过模拟开关和运放结合,是初学者最易掌握的一种方法;数字电位器和仪表放大器实现的程控放大器是对多路模拟开关和运放的方案改进,克服了多路模拟开关的导通电阻的影响,用仪表放大器代替运放,有利于提高输出精度;可编程增益放大器(PGA)一般是芯片内部固定了放大倍数,精度较高,控制增益可选择状态编码或者总线方式等方法,这种控制增益的方法大大提高了应用系统的适应性和灵活性;应用最为广泛的要属程控放大器实现方法是可变增益放大器(VGA),可变增益放大器通过电压值控制增益大小,在数据采集中的应用非常流行,它具有外围器件少、电路设计简单、增益控制范围广等特点。
      1.多路模拟开关和运放组合实现的程控放大器
    (1)反相输入程控放大器
      第一种反向输入程控放大器是将多路开关接在信号输入端,其电路原理如图2.1.1所示。在理想情况下:
式2.1.1.jpg                     (2.1.1)
      因此,实际的改变Ri的大小,即可自动改变放大器的增益。多路模拟开关的作用是依据三位二进制地址A0、A1、A2以及选通端EN的状态来选择八路(R1、R2…Ri)中的一路, 使输人信号ui经输入电阻Ri和运放接通。显然,这种电路的优点是结构简单。
图2.1.1  第一种反相输入程控放大器.jpg
图2.1.1  第一种反相输入程控放大器
      但由于多路开关的导通电阻Ron有一定大小,因此放大倍数突际上取决于Rf与(Ri+Ron)之比,即
式2.1.2.jpg                    (2.1.2)
      为了减少Ron所造成的增益误差,要求Ri>>Ron,而Ri越大,对高速度、低漂移和低噪声等越不利。
      第二种反向输入程控放大器是将多路开关接在反馈端,其电路图如图2.1.2所示。其放大倍数为
式2.1.3.jpg                    (2.1.3)
  同样地,该电路的输入阻抗小,反馈端电阻Rfj大小也是变化的,存在增益误差。
图2.1.2  第二种反相输入程控放大器.jpg
图2.1.2  第二种反相输入程控放大器
      有时为了提高运放反相输入的放大倍数,但又不希望Rf过高,或者输入电阻和反馈电阻的数值已确定,但又希望能在原有基础上改变放大倍数。图2.1.3示出了第三种反相输入程控放大器的原理。
图2.1.3  第三种反相输入程控放大器.jpg
图2.1.3  第三种反相输入程控放大器
      当流过RL和Rj的电流远大于流过Rf的电流时:
式2.1.4.jpg                    (2.1.4)
      显然,改变RLRj的值,可改变放大器的放大倍数。但要注意,这种电路是用改变负反馈的深度来实现增益变化的,且放大倍数的设置较前面两种繁琐。
      综上所述,反相输入程控放大器的特点原理简单,特殊情况下可以通过选用精密测量电阻和高性能模拟开关组成精密程控增益放大器,但缺点是漂移较大、输入阻抗不高、放大倍数参数设计比较复杂。
    (2)同相输入程控放大器
      信号由运放同相端输入,与多路模拟开关亦可组成程控放大器,图2.1.4示出了它的原理电路。
图2.1.4  同相输入程控放大器.jpg
图2.1.4  同相输入程控放大器
其放大倍数为
式2.1.5.jpg                     (2.1.5)
      由于是同相输入,因此放大器输入阻抗很高,但此时由于集成运放的两个输入端不再处于“虚地”的电位,而是有较强的共模输入电压。因此,当输入信号的变化具有较高的频率或较大的速率时,由于运放的共模抑制比指标迅速下降,使误差增大。
    (3)差分输入程控放大器
      为了提高运放的共模抑制比,可使用仪表放大器和多路模拟开关组成程控放大器,如图如图2.1.5所示。
图2.1.5  差分输入程控放大器.jpg
图2.1.5  差分输入程控放大器
    该电路的放大倍数为
式2.1.6.jpg             (2.1.6)
      不管Rgj、R2和R3为何数值,A1和A2两个放大器的共模增益都等于1,A3将A1、A2输出的差分信号变换成以地为参考点的单端输出信号,一般通过改变电阻Rgj或R2和R3来调整放大倍数。
      2.数字电位器和仪表放大器组合实现的程控放大器
      数字电位器是一种具有数字接口的有源器件,可以很方便地通过微控器接口来调整其阻值,相对于多路模拟开关,有更高的精度,并且它具有耐冲击、抗振动、噪音小、使用寿命长等优点,更重要的是它可以代替电路中的机械电位器,容易实现控制自动化和操作上的智能化,在自动测控系统和智能仪器中得到越来越广泛的应用。
      例如应用较为典型的美国Xicor公司推出的X系列固体非易失性数字电位器产品X9241。X9241是4个数字控制电位器为一体的单块CMOS集成电路,每个数字电位器由63个电阻串联而成,4个数字电位器可以级联,在程控放大器中最大可以提供256级的增益控制。X9241在两个电阻连接处通过开关连接到滑动引脚,电阻串上的滑动点位置通过I2C总线控制。每个电位器由可变滑动点计数寄存器(WCR)和4个非易失性数据寄存器(DR0~DR3)控制,使用者能够直接读写,从而控制电阻值大小,达到控制增益的目的。
      INA128是TI公司生产的低价格、高精度的仪表放大器,它只需外接一只电阻器Rg便可设置增益大小,其性能要优于三个运放组成的仪表放大器。INA128的管脚5(REF)为参考端,用来确定零输出电压,当前端电路和后端电路的地不明确共地时可为后端引入精密的补偿,还可以利用该参考端提供一个虚地电压来放大双极性信号,参考端允许电压变化范围为-VS~+VS。如果INA128相对地输出,则参考端应接地。引脚7和4为正负电源输入端,双电源工作时电源范围为±2.25V~±18V。引脚8和1之间接电阻Rg,其大小决定了放大器的增益G,计算公式为
式2.1.7.jpg                           (2.1.7)
      数字电位器和仪表放大器组合实现的程控放大器电路原理图如图2.1.6所示。
图2.1.6  数字电位器和仪表放大器组合实现的程控放大器.jpg
图2.1.6  数字电位器和仪表放大器组合实现的程控放大器
      3.可编程增益放大器(PGA)
      由于模拟开关和放大器组成的程控放大器中受多路开关的导通电阻Ron的影响,在很多要求较高精度的场合是不适用的;另外,数字电位器实质上也是多通道选择器件,同样需要和放大器共同构成程控放大器,而随着半导体集成电路的发展,目前许多半导体器件厂家将模拟电路与数字电路集成在一起,已推出了单片集成的数字程控增益放大器(Programmable Gain Amplifiers,PGA),例如TI公司的PGAxxx系列产品PGA101、PGA203、PGA206等等。它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽的通频带等优点,使用简单方便,但其增益量程有限,只能实现特定的几种增益切换。下面以可编程增益放大器PGA103为具体实例,介绍它的功能及在程控增益放大器中的典型设计电路。
      PGA103是一种通用的双电源供电的可编程增益放大器,可通过两个与CMOS/TTL兼容的输入端把增益设定为1、10或100。PGA103即使在G=100的情况下也能提供快速的稳定时间(G=100,精度为0.01% 时,稳定时间为8µs)。可在数据采集系统、通用模拟板、医用仪表等信号动态范围宽的场合应用。
      PGA103的典型应用电路如图2.1.7所示。
图2.1.7  PGA103的典型应用电路.jpg
图2.1.7  PGA103的典型应用电路
      PGA103的供电范围为-18V~18V,1、2脚为增益控制端,A1A0=00时,G=1;A1A0=01时,G=10;A1A0=10时,G=100;A1A0=1时,无效输入,虽然这种逻辑代码不会导致器件损害,但是选择这种代码时放大器的输出将变为不可预计的。当选择有效的代码时,输出将恢复。
      4.可变增益放大器(VGA)
      在自动化程度要求较高的系统中,希望能够在程序中用软件控制放大器的增益,或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。可变增益放大器(VGA)就是一种利用D/A转换器实现的程控增益放大器,D/A转换器内部有一组模拟开关的电阻网络,用它代替运放反馈部件,与仪表放大器一起可组成程控增益放大或衰减器,再配合软件判断功能就可实现数据采集系统的自动切换量程。随着可变增益放大技术的不断发展 , 它在自动测控、智能测控、智能仪器仪表等重要领域的应用也越来越广泛。它们在历届的全国大学生电子设计大赛、省大学生电子设计大赛中的仪器仪表类赛题被大量采用。
  在第9课中,将专门讲解基于VCA821的程控放大器设计,尽情期待。

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谢谢老师分享 期待第九课讲的设计

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