可编程增益放大器电路设计

特定医学和科学仪器应用需要放大和测量微伏级信号。例如， 精确测量基于热电偶的微热量计输出，就需要一个达到很高增益并表现出优异热稳定性和低噪声的放大器。

图1示出了两个放大器的组合如何产生一个可编程增益放大器，它提供160~10240 的可选增益。该电路还提供5mV典型偏移电压、20 nV/℃偏移漂移、0.1Hz时9 nV等效输入噪声电压。IC1是Cirrus Logic CS3301低压、差分输入、差分输出、削波器漂移补偿可编程增益放大器，充当输入放大级，并驱动IC2，即电压较高的INA114仪表放大器输出级。CS3301提供1 ~ 64范围的7种可编程增益，而INA114 提供固定增益160。这种组合实现了160 ~ 10240的增益。热电偶产生1mV信号，从INA114产生10.24V输出。要选择其它增益值，可改变INA114的增益设置电阻器R3的值。

外部DIP开关和上拉电阻器连到 3.3V电源（未显示），编程了CS3301的增益控制脚和多路转换器控制引脚。一个能驱动3.3V逻辑电路的微控制器也能控制这些控制输入端。连接CS3301的输出端和INA114的输入端、一个由R1、R2、IC1的输出电阻器组成的 RC 低通滤波器以及C1，就能限制高于500Hz的噪声。

图2示出了这些组合式放大器在增益10000的输入参考噪声性能测量值。这个放大器串联组合的1/f噪声转角在0.08Hz，在0.1Hz时的等效输入噪声电压约为9nV。噪声与频率关系曲线表示了18小时期间200多万个输出样本的FFT处理结果。为简单起见，原理图未显示电源和旁路电容器。由于该电路的放大系数极大，因此使用的构造技巧应使元件放置保持热平衡，印刷电路迹线长度保持电平衡。