|
具有寬動態范圍的大多數數據采集系統需要某種方法來調整模數轉換器(ADC)的輸入信號電平，以便最大限度地利用ADC的滿刻度輸入電壓范圍。為了達到這個目的，通常在傳感器和ADC之間會放一個可編程增益放大器(PGA)或可變增益放大器(VGA)，如圖1所示。在PGA/VGA之前或之后可能會用到額外的信號調節電路，取決于具體應用。 圖1數據采集系統中的可編程增益放大器。 當需要高增益時，可編程增益放大器電路的拓撲設計值得三思。由于噪聲和運放失調電流的原因，不建議使用具有很高阻值(>1MΩ)的反饋電阻。另外，對于反相放大器來說，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編程增益放大器電路。圖2顯示了兩種版本，它們都具有8個數字可編程的增益值。 圖2a反相可編程增益放大器電路。 圖2b同相可編程增益放大器電路。 雖然用這些電路實現的增益數量等于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。 信號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： 對于圖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體二極管將開始導通，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： 其中vF是MOSFET的體二極管正向電壓(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管導通： 在圖2b所示的放大器電路中可以選擇的獨立增益有： 對于圖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體二極管也會導通。為了避免這個問題，以下條件必須得到滿足： 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管導通： 圖3是圖2a所示電路的實際應用例子。在這個例子中，可編程增益放大器用于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信號進行積分和濾波。 圖3基于羅氏線圈的交流測量系統。 我們且作這樣的假設：采樣信號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30μV/A，積分器/高通濾波器的增益等于1.2 ≡ 1.64 dB@50Hz，而且我們想測量均方根1280A、320A、80A和20A范圍內的交流電流。根據前面的數據，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。 用計算后的值得到的增益是(理論值顯示在方括號中)： 對于同相設計來說，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： 用計算出來的值獲得的增益是： |
