经典仪表放大器的全新变体提供了更大的设计灵活性

尽管仪表放大器（IA）在与传感器接口时非常有用且用途广泛，但也存在一些限制因素，阻碍了可变增益IA或可编程增益仪表放大器（PGIA）（在某些文献中也称为软件可编程增益放大器（SPGA））的设计。之所以需要这种PGIA，是因为经常遇到使电路适应各种传感器或环境条件的情况。对于固定增益，系统设计人员可能不得不应对次优SNR，这可能会影响精度。我的同事的《模拟对话》文章“可编程增益仪表放大器：找到适合您的放大器”中讨论了许多有助于创建准确和稳定的PGIA的技术，该文章指出了这种设计可能存在的缺陷，并对可用的解决方案和技术进行了全面调查。在本文中，我将介绍另一种促进此类工作的工具和方法，我将介绍设计步骤，这些步骤使人们能够快速了解使用新发布的仪表放大器创建精确PGIA所需的外部元件值。

一种新的仪表放大器架构

一种常见的仪表放大器架构如图1所示。

图1.经典仪表放大器。

增益由外部电阻RG的值设定。要使用这样的设备创建PGIA，只需切换RG的值即可。这通常使用模拟开关或多路复用器来完成。然而，模拟开关的一些非理想行为使这项任务复杂化，例如开关导通电阻、通道电容以及通道电阻随施加电压的变化。

标准仪表放大器架构的一个变体如图2所示。请注意 RG 引脚如何分解为 ±RG、S 和 ±RG，F，并单独引脚化并从器件封装外部访问。

图2.LT6372-1架构允许访问某些IA内部节点。

图2所示架构的一个重要特性是能够配置仪表放大器，使其能够在几个不同的增益值之间切换，同时最大限度地减少由于开关电阻有限而导致的任何增益误差。此功能可用于创建 PGIA。

如前所述，任何可编程仪表放大器的电阻都可以通过相应地切换增益设置电阻的值来改变其增益。但是，这样做存在明显的缺点，例如：

开关导通电阻（R上） 标称值及其变化。

由于低开关R，可能无法实现高增益值上必需值。

开关非线性引起的信号失真。这是因为信号电流直接流过R上因此，其值作为电压函数的任何变化都会导致失真。

当配置为PGIA时，LT6372-1可以缓解这些问题，如图3所示，因为RG、F和RG、S引脚是单独引脚排列的。在本原理图中，来自惠斯通电桥（由R5至R8组成）的信号被放大，用户可根据选择的SW1开关位置选择四个可能的增益值。LT6372 系列引出脚配置允许人们创建一个 PGIA，该 PGIA 利用改变 RF/RG 的比率来获得所需的增益值。

图3.LT6372-1 PGIA 桥接口，具有四个增益设置。

此外，U1、U2模拟开关R上作为增益误差源最小化，因为它可以与输入级反相端子及其反馈电阻串联放置。以这种方式配置，R上仅占内部12.1 kΩ总反馈电阻的一小部分，因此对增益误差和漂移影响很小。同样，由于R，开关非线性引起的失真被最小化。上值是总反馈电阻的一小部分，由于其值随电压的变化而几乎没有影响。此外，该器件的输入级由电流反馈放大器（CFA）架构组成，与传统电压反馈放大器相比，其性质允许带宽或速度变化较小，增益变化较小。

图4显示了PGIA的简化图，用于演示电阻梯形图的不同抽头（由模拟开关（总共8个）实现，一次短路两个以设置增益，配置电路。在此图中，两个开关组以四个可能的增益值之一表示;即 –RG、S 和 +RG，S 引脚短路到 RF3/RF4 结。

图4.用于PGIA的LT6372-1框图和简化的外部连接（未显示增益开关）。

针对任何增益计算外部电阻的设计步骤

图3显示了完整的PGIA配置，包括所需的开关，可以适应任意大的增益范围。此处包括四个可能的增益值，但可以通过在设计中添加更多开关来增加该数字。如前所述，允许访问RG，F和RG，S引脚的功能使RF能够增加大增益，并降低RG以获得低增益，以创建多功能PGIA。出于增益计算的目的，可以将反馈电阻视为内部12.1 kΩ调整电阻加上与RG，F串联的其他电阻，以达到RG，S端子。相反，增益设置电阻是+RG，S和–RG，S之间的总电阻。这总结为：

RF = 12.1 kΩ + 两个输入放大器上 RG、F 和 RG，S 之间的电阻

RG = +RG，S 和 –RG，S 之间的电阻

这种配置可实现大于1 V/V至1000 V/V的增益。在U1和U2开关上将开关设置为短引脚S3和D3时，以下是相应的RF和RG值以及由此产生的增益：

射频 = 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

不难看出，决定外部电阻使用哪些值是一个迭代和相互依赖的过程，其中可能的增益值相互作用并影响要使用的电阻的选择。表1列出了一些常见的增益值分量值，以便于参考，但也有多种其他增益组合（G）。

确定PGIA值的程序增益网络中的各个电阻可以使用公式1中的公式按顺序计算。该公式确定图3所示的电阻，其中表1中的情况2（增益2、20、200和500 V/V）用作计算示例。反馈电阻和增益设置电阻是交互式的;因此，公式必须是一个序列，其中当前项依赖于前面的项。公式由下式给出：

以下是一些定义：

RF1= 12.1 kΩ （LT6372-1 内部）

M：增益数（本例中为 4）

Gi：增益实例（G 为 2、20、200 或 500 V/V1– G4分别是本例）

i：从 1 到 （M-1） 不等以计算射频I + 1

公式1可用于计算任何一组增益所需的反馈电阻。虚拟变量 （j） 用作计数器，以保持上述反馈电阻的运行总计。

在进行任何计算之前，建议绘制一个类似于图3中的网络的电阻网络。网络将有 （2 × M） – 1 个电阻，其中 M = 增益数。在本例中，M = 4，因此，电阻串将有七个电阻。公式1需要计算i = 1 → （M – 1）。

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

从公式 2：

从i = 1 →迭代计算公式1 （M-1）

然后可以使用以下命令计算中心电阻RG：

通过最后一次计算，计算表1所示的所有四个电阻值，并完成设计计算。

测量的性能图

以下是一些图，显示了使用此PGIA配置可以实现的性能：

图5.PGIA大信号频率响应。

图6.PGIA CMRR 与频率的关系。

使用ADG444的开关电容时，在最低增益设置（G1 = 2 V/V）下，小信号频率响应显示出一些明显的峰值（见图7）。此行为仅在较低增益设置下显示，其中 LT6372-1 带宽扩展得足够高，以受到开关的 pF 范围电容的影响。选择较低电容开关（例如，电容为5 pF的ADG611/ADG612/ADG613）或限制PGIA的最低增益设置是解决这种副作用的方法。

图7.PGIA小信号低增益峰值。

结论

介绍了一种利用新发布的一组器件 LT6372 系列的引脚排列特性来增加仪表放大器增益选择功能的方法。分析了这种PGIA的特性，并详细说明了设计步骤以及性能测量。LT6372-1 具有高度线性度，并提供精准的 DC 规格和性能，因此是此类解决方案的独特选择。

审核编辑：郭婷