具有可编程增益级的运算放大器的性能与应用分析

运算放大器已经证明了它们在设计人员库中作为高功能构建模块的实用性。这些通用电路元件可轻松转换为缓冲器，放大器，加法器，反相器，积分器，微分器，乘法器，并可用于单端和差分信号调理。从某种意义上说，改变反馈电阻的能力允许所有运算放大器具有可编程的增益。但是，使用固定反馈电阻会使此增益成为静态值。动态可配置增益级是运算放大器的又一种排列，可为模拟和混合信号设计提供更多功能和灵活性。

本文介绍了具有可编程增益级的运算放大器，以及它们如何用于提高基于传感器的设计的性能和功能。对于要在复杂的基于传感器的应用中使用的精密运算放大器，设计人员需要考虑多个方面以获得最佳的规格和性能组合，同时平衡成本考虑因素。本文将研究制作您自己的可编程增益运算放大器的方法，以及“现成的”市售部件。虽然没有简单的“一刀切”公式，但以下示例显示了运算放大器选择如何帮助实现关键应用目标。

低成本传感

虽然一些更先进和昂贵的传感器是混合信号系统，但低成本应用将使用传感器作为传感器和运算放大器作为信号调理和校准元件。传感器通常需要进行校准，偏移和放大，以便在此处使用。此外，这些传感器的值可能随着时间和温度的变化而变化。

对于低精度应用，例如可编程恒温器，其中一定程度的误差并不重要，固定增益级将让您进入大球场。但是，当精度是必须的时，具有精细粒度的可编程增益级允许您通过允许您在需要时校准和偏移（甚至“放大”）您想要检测的特定范围来从传感器系统中提取更高的精度。进行测量。

让我们使用热敏电阻作为传感器的一个例子，用作温度传感器。作为一个简单的可变电阻，它反映了温度随电阻的变化而变化。作为一种简单的低成本传感器，即使制造工艺是第一品质，在不同部件之间的相同温度下的电阻也可能存在差异。

因此，设计中的微控制器不仅需要转换其A/D接收的值，还应该补偿这些变化，以及布线的影响（可以长期运行）一些设计）。

你可以在你的板上添加修整器并校准每个单元。然而，这增加了成本并且仍然可以随时间和温度漂移。您可以在固件中添加查找表，但这也会增加制造步骤和成本，因为需要更多内存来保存查找表，并且每个单元必须经过校准周期。

可用选项

标准运算放大器和简单的模拟开关可以进行校准偏移和满量程范围调整（图1）。这里，可以接通接地参考，以便当读取的值应为零时，让A/D转换器知道零偏移误差是什么。微型读取的A/D值可以使固件增加或减去校正该调整的零点所需的值。

图1：标准运算放大器可与模拟开关一起使用，以确定校准软件的偏移值。也可以读取满量程值，但为了最大化动态范围，需要增益/衰减控制。

或者，切换一个表示满量程值的参考，让微观知道实际读数应该是什么。应调整输出运算放大器的增益，以反映微量应在满量程时看到的值，甚至可以补偿长电缆中的IR压降。您可以在增益级使用高分辨率数字微调电位器（如ADI公司的AD5231BRUZ10）来完成此任务（图2）。

图2：在运算放大器的反馈中添加数字微调电位器可以提供精细的可调增益粒度，从而最大限度地提高传感器的动态范围。

正如您所看到的，动态调整增益级的能力为您的传感器设计增加了另一层控制和功能，有很多方法可以实现，具体取决于您需要支持的分辨率和范围。如果需要考虑空间并且可靠性需要非常高，那么如果增益步长足够小以精细调谐信号，则单片可调增益运算放大器可能是最佳选择。幸运的是，有许多供应商和零件可供选择。

对于更高带宽的信号，您可能需要查看德州仪器THS7002CPWP，这是一款双通道，高带宽，可调增益运算放大器，具有100 MHz，-3 dB增益带宽（70 MHz单位增益带宽积）。其3位数字控制增益级提供6 dB步长衰减，以获得-22至20 dB的端点（图3）。低噪声电压反馈前置放大器有助于确保变化的输入阻抗不会影响增益级，也可用于实现滤波。 THS7001CPWP是TI提供的单运放器件。

图3：数字地址位选择所需的增益值，独立的电压反馈前置放大器支持抗混叠滤波。

使用地址位选择增益步骤的另一种方法是使用串行总线。例如，MCP6S93T-E/UN也是一个双可编程增益运算放大器，具有8个可编程增益步长，但它不使用寻址方案，而是使用SPI端口，使用内部电阻梯选择预编程设置（图4）。这个18 MHz的轨到轨部件具有1％的增益误差，但仅使用2.5至5.5 V的单电源供电，这使其成为模拟信号调理的理想选择，可为A/D提供微控制器。

图4：地址位的替代方案是串行总线接口。这只需要几根电线，但可以在没有更多引脚和更大封装的情况下控制更多步骤。

另一个感兴趣的SPI可调部分来自Maxim，其双MAX9939AUB +具有2.15 MHz增益带宽积和6位可调增益级，通过SPI端口可编程增益从.2到157。一个很好的功能是内部SPI可调偏移和测量芯片偏移的能力。

为此，运算放大器将其反相输入与外部引脚断开，并将其短接至同相输入。这允许读入输入共模偏移误差并用作软件中的校准因子。可以对内部4位偏移电压进行编程，以补偿零点校准。它还包含一个内部VCC/2参考，用于在单轨情况下对AC波形进行定心（图5）。

图5：除了可调增益之外，可调偏移允许更高的积分用于校准目的，因为这些功能不需要在外部实现。还提供了VCC/2参考，用于在单轨设计中使AC信号居中。

正如您所知，运算放大器可用于差分连接到传感器，这几乎消除了共模噪声问题，尤其是在信号电平最低的测量源。当在远程位置一起使用换能器和运算放大器时，可能需要通过双绞线差分地发送运算放大器输出，以消除从运算放大器到远程A/D转换器的共模噪声。还有可编程增益运算放大器，差分输出随时可用。

以国家（现在的TI）LMP7312MA/NOPB数字可编程，可变增益放大器/衰减器为例，具有差分输出（图6）。 LMP7312通过SPI端口控制，可以从传感器到A/D差分放大和传递高达1 MHz的传感器信号，或者可以在双极性输入到单端输出模式下工作。衰减器能够处理±15 V信号，增益级提供6个精确步长（在数据表中定义），具有出色的保证0.035％最大增益误差。

图6：任何运算放大器都支持差分输入，但有些运算放大器还直接提供差分输出。这对于驱动双绞线布线以实现共模噪声抑制非常有用。

也可选择高阻抗模式，除了将其从电路中移除之外。它还具有零开关，允许读取内部放大器的偏移量以进行校准。

结论

可编程增益运算放大器在构建混合信号和基于传感器的设计时提供更高水平的功能密度，灵活性和控制。各种零件，包括精度，速度，偏移调整和校准模式，为我们提供了可靠和精确设计的最佳成本/性能点。

与任何良好的设计实践一样，第一个标准始终必须是实现系统的精度和性能操作目标，因此低增益，低漂移和高增益情况下的精度始终是成功的关键因素。

系统设计人员现在可以从更广泛的精密运算放大器中进行选择，使其能够有效地满足最严格的性能和精度要求。