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如何利用LT6372系列器件為儀表放大器添加增益選擇功能

電子設計 2021-05-31 17:07 次閲讀

傳感器連接時,儀表放大器(IA)作用強大且功能多樣,但也存在一些限制,會阻礙可變增益IA或可編程增益儀表放大器(PGIA)的設計。在有些文獻中,後者也被稱為軟件可編程增益放大器(SPGA)。因為經常遇到要求根據各種各樣的傳感器或環境條件調節電路的情況,我們需要這類PGIA。採用固定增益時,系統設計人員可能不得不應對欠佳的SNR,這會降低精度。我的同事發表了《模擬對話》文章"可編程增益儀表放大器:找到適合的放大器",其中討論了多種有助於創建精密、穩定的PGIA的技術。

文章中指出了這種設計可能存在的缺陷,並展示了對可用解決方案和技術的全面調查。在本文中,我將介紹另一種促進這項工作的工具和方法,我會逐一介紹每個設計步驟,讓大家快速掌握使用新發布的儀表放大器創建精密PGIA所需的外部元器件值。

一種新的儀表放大器架構

常見的儀表放大器架構如圖1所示。

pIYBAGC0paGAMLYQAAC5AF6XK1g095.png

圖1. 經典儀表放大器。

增益由外部電阻器RG的值來設定。要使用這類器件創建PGIA,只需切換RG的值即可。這種切換通常使用模擬開關多路複用器來完成。但是,模擬開關的一些非理想行為讓這項任務變得複雜——例如開關的導通電阻、通道電容,以及通道電阻隨施加電壓的變化。

圖2所示為基於標準儀表放大器結構的變化版本。注意RG引腳如何被分解成±RG,S和±RG,F,單獨引出,並從器件封裝外部進行配置。

o4YBAGC0pbqAVBLsAAFt-Vpx1dY897.png

圖2. LT6372-1架構允許配置一些IA內部節點。

圖2所示的架構有一個重要的實用特性:能夠配置儀表放大器,使其可以在幾個不同的增益值之間切換,同時將開關電阻造成的增益誤差降至最低。此特性可用於創建PGIA。

如上所述,任何電阻可編程儀表放大器都可以通過切換增益電阻的值來改變其增益。但是,這種做法存在明顯的缺點,例如:

● 開關導通電阻(RON)標稱值及其變化會造成較大的增益誤差。

● 由於需要的開關RON值較低,高增益值可能無法實現。

● 開關非線性會引起信號失真。這是因為信號電流直接流過RON,因此其值隨電壓的任何變化都會引起失真。

如圖3所示,當 LT6372-1 配置為PGIA時,可以緩解這些問題,因為RG,F和RG,S引腳是單獨引出的。在這個原理圖中,惠斯登電橋(由R5至R8組成)產生的信號被放大,提供4個可能的增益值,用户可根據選擇的SW1開關位置進行選擇。利用 LT6372 系列 引腳排列,我們可以創建一個PGIA以通過改變RF/RG比來獲得所需的增益值。

pIYBAGC0peWAQ3Z6AAF1HAmVjEI991.png

圖3. LT6372-1 PGIA電橋接口,提供四種增益設置。

此外,作為增益誤差源的U1、U2模擬開關RON被降至最低,因為它可以與輸入級反相端口及其反饋電阻串聯。這樣配置之後,RON只佔內部12.1 kΩ反饋電阻總量的一小部分,因此對增益誤差和漂移幾乎沒有影響。同樣,由於RON值只佔總反饋電阻的一小部分,其值隨電壓的變化幾乎不會產生影響,因此開關非線性引起的失真可降至最低。此外,此器件的輸入級由電流反饋放大器(CFA)架構組成,與傳統的電壓反饋放大器相比,它本身在增益變化時所允許的帶寬或速度變化較小。1 上述所有這些因素綜合在一起,讓我們能夠使用低成本外部模擬開關,創建具有精密增益步進的精密PGIA。

圖4所示為PGIA的簡化圖,展示了梯形電阻的不同抽頭(由總共8個模擬開關實現,每次短接2個來設置增益)如何配置電路。在此圖中,兩個開關組由四種可能的增益值之一來描述;–RG,S和+RG,S引腳短接至RF3/RF4結。

o4YBAGC0pf-AFWi8AADe4jsLRaw545.png

圖4. LT6372-1的框圖,以及PGIA的簡化外部連接(未顯示增益開關)。

用於計算外部電阻的增益的設計步驟

圖3顯示完整的PGIA配置,包括所需的開關,該配置可適應任意大小的增益範圍。其中包含四個可能的增益值,但是可以通過在設計中增加更多開關來增加該值。如前所述,允許配置RG,F和RG,S引腳這一特性讓我們能夠增加RF來增大增益,並降低RG來減小增益,以創建功能多樣的PGIA。為了計算增益,我們可以將反饋電阻計為內部12.1 kΩ調整電阻加上RG,F到RG,S端口連接上與RG,F串聯的其他電阻。相反,增益設置電阻是+RG,S和-RG,S之間的總電阻。總結起來就是:

RF = 12.1 kΩ + 兩個輸入放大器各自上面的RG,F和RG,S之間的電阻

RG = +RG,S和–RG,S之間的電阻

在這種配置下,增益的可能範圍為1 V/V至1000 V/V。當U1和U2開關上的開關都設置為的短路引腳S3和D3時,對應的RF和RG值,以及產生的增益如下:

RF = 12.1 kΩ + 11 kΩ + 1.1 kΩ = 24.1 kΩ

RG = 73.2 Ω + 97.6 Ω + 73.2 Ω = 244 Ω

G = 1+ 2RF/RG = 1 + 2 × 24.1 kΩ/244 Ω = 199 V/V

很容易能夠看出,決定外部電阻使用哪個值是一個迭代且彼此相關的過程,可能的增益值相互作用,對選擇使用的電阻產生影響。為了便於參考,表1列出了一些常見的增益值組成值,但是,還可能存在許多其他的增益組合(G)。

確定PGIA的值的步驟

我們可以使用等式1中的公式依序計算增益網絡中的單個電阻的值。該方程確定電阻的方式如圖3所標示,表1中的案例2(增益為2、20、200和500 V/V)用作算出的示例。反饋電阻與增益設置電阻是交互式的;因此,公式必須是當前項取決於之前項的一個系列。計算公式如下:

o4YBAGC0pg2AU-uXAABs0V7ACpw713.png

以下是一些定義:

RF1= 12.1 kΩ (LT6372-1的內置電阻)

M:增益數量(本電路為4)

Gi:增益實例(在本例中,G1 – G4分別為2、20、200或500 V/V)

i:在1至(M-1)之間變化,用於計算 RFi+ 1

pIYBAGC0piCAMRAxAABJuiQMtzg917.png

等式1可用於計算任何增益組合所需的反饋電阻。一個虛擬變量(j)充當計數器,以保持之前的反饋電阻的連續總數。

● 在計算之前,建議先繪製與圖3所示的網絡類似的電阻網絡。該網絡中有(2 × M) – 1個電阻,其中M =增益數。在這個示例中,M = 4,所以,電阻串中將包含7個電阻。需要針對i = 1 →(M – 1)求等式1的值。

G1 = 2, G2 = 20, G3 = 200, G4 = 500 V/V

根據等式2:

o4YBAGC0piyAVY6wAACEndNjO5w615.png

根據i = 1 → (M-1),以迭代的方式求等式1的值

o4YBAGC0pkGABm96AAItbaYKRx8052.png

然後,可以使用以下等式計算中心電阻RG:

o4YBAGC0pluANjdnAAEzqnKmAF4212.png

在進行最後一步計算之後,表1中的所有4個電阻值都經過計算,設計的計算過程完成。

測量的性能圖

以下這些圖顯示了使用此PGIA配置可以實現的性能:

o4YBAGC0pnyAIFjUAAF45IUqksY732.png

圖5. PGIA大信號頻率響應。

pIYBAGC0ppaAXCehAAGQPKyNZFA164.png

圖6. PGIA CMRR與頻率的關係。

ADG444的開關電容使得在最低增益設置(G1 = 2 V/V)下,小信號頻率響應出現一些明顯的峯化(參見圖7)。這種現象只在採用較低的增益設置時才會出現,因為LT6372-1的帶寬擴展到足以受到開關的pF電容影響。解決這種副作用的方法包括,選擇電容更低的開關(例如具有5 pF電容的 ADG611/ADG612/ADG613),或者限制PGIA的最低增益設置。

pIYBAGC0pqmAVyESAAGS6W2ntVQ180.png

圖7. PGIA小信號低增益峯化。

結論

本文介紹瞭如何利用新發布的LT6372系列器件的引腳排列為儀表放大器添加增益選擇功能。文中分析了這種PGIA的特性,並詳細説明了其設計步驟以及性能測量值。LT6372-1具有高線性度,提供精確的直流規格和性能,因此非常適合用於此類解決方案。

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如何杜絕誤報確保可靠監測?ADI雙光源煙霧探測方案助力掘金千億智慧消防市場

仙工智能宣佈與電動工具行業巨頭喜利得達成戰略合作

5月27日,仙工智能宣佈與電動工具行業巨頭喜利得達成戰略合作。 仙工智能為喜利得產線配送、成品出庫工....
的頭像 高工機器人 發表於 05-28 09:11 192次 閲讀
仙工智能宣佈與電動工具行業巨頭喜利得達成戰略合作

探究傳統內燃機組裝工藝與協作機器人

5月26日,福田康明斯智能製造項目團隊一行蒞臨珞石機器人北京總部進行技術交流。雙方就協作機器人在內燃....
的頭像 高工機器人 發表於 05-28 09:08 201次 閲讀
探究傳統內燃機組裝工藝與協作機器人

賽靈思:助力汽車三大領域創新

如今的汽車產業,傳統與科技並存,一方面它需要依賴能源,而能源的使用及變革是一個緩慢的過程;另一方面,....
的頭像 荷葉塘 發表於 05-28 06:56 2049次 閲讀
賽靈思:助力汽車三大領域創新

霍耳效應霍爾傳感器相關資料下載

    在電子科技領域裏有許許多多的“效應”,如場效應、霍耳效應等,對這些效應的認識和理解,對於我們提高應用能力、...
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霍耳效應霍爾傳感器相關資料下載

CAT-RTD0005 彈簧加壓式螺紋軸承 RTD

看產品文檔或聯繫我們以瞭解最新的機構審批信息。  產品類型特性 傳感器類型  軸承探頭 元件材料  鉑, 銅, 鎳 引線導線種類  PTFE 使用環境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包裝特性 元件包裝  不鏽鋼探針,銅質尖端 參考編號 TE 內部編號 CAT-RTD0005...
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CAT-RTD0005 彈簧加壓式螺紋軸承 RTD

CAT-RTD0006 卡口式尖端敏感 RTD 探頭

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CAT-RTD0006 卡口式尖端敏感 RTD 探頭

CAT-RTD0007 柔性鎧裝尖端敏感 RTD 探頭

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CAT-RTD0007 柔性鎧裝尖端敏感 RTD 探頭

CAT-RTD0008 小型投入式 RTD 探頭

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CAT-RTD0008 小型投入式 RTD 探頭

CAT-RTD0009 點傳感 RTD 探頭傳感器

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CAT-RTD0009 點傳感 RTD 探頭傳感器

CAT-RTD0010 帶壓縮配件的點傳感 RTD 探頭

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CAT-RTD0010 帶壓縮配件的點傳感 RTD 探頭

CAT-RTD0011 帶雙螺紋的點傳感 RTD 探頭

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CAT-RTD0011 帶雙螺紋的點傳感 RTD 探頭

CAT-RTD0012 螺紋式點傳感 RTD 探頭

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CAT-RTD0012 螺紋式點傳感 RTD 探頭

CAT-RTD0013 導管盒點傳感 RTD 探頭

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CAT-RTD0013 導管盒點傳感 RTD 探頭

CAT-RTD0014 空氣傳感 RTD 探頭面板

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CAT-RTD0014 空氣傳感 RTD 探頭面板

CAT-RTD0015 壁掛式 RTD 温度傳感器

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CAT-RTD0015 壁掛式 RTD 温度傳感器

CAT-RTD0016 室外空氣傳感 RTD 探頭傳感器

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CAT-RTD0016 室外空氣傳感 RTD 探頭傳感器

CAT-RTD0017 暖通空調平均化 RTD 探頭

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CAT-RTD0017 暖通空調平均化 RTD 探頭

CAT-RTD0018 帶壓縮配件的平均化 RTD 探頭

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CAT-RTD0018 帶壓縮配件的平均化 RTD 探頭

CAT-RTD0019 雙螺紋平均化 RTD 探頭

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CAT-RTD0020 12 MNPT 平均化 RTD 探頭傳感器

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CAT-RTD0021 帶導管盒的平均化 RTD 探頭

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CAT-RTD0023 帶壓縮配件的不鏽鋼 RTD 探頭

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CAT-RTD0023 帶壓縮配件的不鏽鋼 RTD 探頭

CAT-RTD0024 不鏽鋼 RTD 與插頭和插孔

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CAT-RTD0024 不鏽鋼 RTD 與插頭和插孔

CAT-RTD0026 SS 定長切割 RTD 探頭傳感器

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CAT-RTD0026 SS 定長切割 RTD 探頭傳感器