Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2009 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2009 год.Операционные усилители с программируемым коэффициентом усиления и их применениеЕвгений Звонарев, Павел Ильин (КОМПЭЛ) Компания Texas Instruments выпускает широкую номенклатуру измерительных операционных усилителей с программируемым коэффициентом усиления. Области применения микросхем серии PGA: дистанционное измерение электрических сигналов, портативные устройства сбора данных, системы сбора данных, тестовое оборудование, программируемые логические контроллеры, оборудование для медицинских и физических измерений, платы аналоговых интерфейсов, устройства с автоматическим управлением усилением, устройства с батарейным питанием.

Измерительные операционные усилители с цифровым программированием коэффициента усиления (PGA) являются универсальными входными операционными усилителями, которые за счет цифрового управления коэффициентом усиления позволяют улучшить точностные характеристики и расширить динамический диапазон. В таблице 1 приведены операционные усилители серии PGA от Texas Instruments.

Таблица 1. Операционные усилители с цифровым программированием коэффициента усиления

Наимено
вание
ОписаниеКоэф
фициент
усиления, K
Нели
ней
ность при K=100 (max),
%Напря
жение сме
щения нуля (max),
mVДрейф
нуля (max),
mV/°CКоэфф
ициент подав
ления сигнала для К=100 (dB) (min)
Полоса пропус
кания при К=100, kHz
Спект
ральная плот
ность шума 1kHz (nV/√Hz)
Напря
жение питания, В
IQ (mA) (max)КорпусPGA103Прецизионный с заземленным входом1, 10, 1000,015002—25011от ±4,5 до ±183,5SOIC-8PGA202Высокоскоростной, входной полевой транзистор, 50пA IB1, 10, 100, 10000,01210001292100012от ±6 до ±186,5DIP-14PGA203Высокоскоростной, входной полевой транзистор, 50пA IB1, 2, 4, 80,01210001292100012от ±6 до ±186,5DIP-14PGA204Прецизионный, Отклонение коэффициента усиления: 0.25%1, 10, 100, 10000,002500,251101013от ±4,5 до ±186,5SOIC-16, PDIP-16PGA205Изменение коэффициента усиления: 0.024ppm/°C1, 2, 4, 80,002500,259510015от ±4,5 до ±186,5SOIC-16, PDIP-16PGA206Высокоскоростной, входной полевой транзистор, 100пA IB1, 2, 4, 80,002150029560018от ±4,5 до ±1813,5DIP-16, SOIC-16PGA207Высокоскоростной, входной полевой транзистор,100пA IB1, 2, 5, 100,002150029560018от ±4,5 до ±1813,5DIP-16, SOIC-16PGA112/3Отсутствие дрейфа, прецизионный, 2-х канальный мультиплексорот 1 до 200—1000,9—38012от +2,2 до +5,50,45MSOP-10PGA116/7Отсутствие дрейфа, прецизионный, 10-ти канальный мультиплексорот 1 до 200—1001,2—38012от +2,2 до +5,50,45TSSOP-20PGA3090,1% формирователь выходного сигнала мостового датчика с цифровой калибровкой, выходное напряжение пропорционально напряжению питанияот 8 до 11520,002500,22060210от +2,7 до +5,51.6TSSOP-16PGA308Одностороннее питание, автоматическая установка нуля, усилитель сигнала, программируемые коэффициент усиления и напряжение смещенияот 4 до 1600—400,29510050от +2,7 до +5,52MSOP-10, DFN-10 

PGA представляет собой операционный усилитель с однополярным питанием и rail-to-rail входом и выходом (RRIO). Для обеспечения диапазона изменения входного напряжения от нуля и до напряжения питания на входе использованы два параллельно включенных входных каскада. На каждом входе есть p-канальные МОП-транзисторы для работы вблизи потенциала земли и параллельно подключенные n-канальные МОП-транзисторы для работы вблизи напряжения питания. Когда синфазное входное напряжение (точнее, напряжение на единственном входе, поскольку этот усилитель с программируемым усилением (PGA) внутренне сконфигурирован для неинвертирующего включения) пересекает уровень, обычно находящийся на 1,5 В ниже напряжения питания, происходит переключение между n-канальными и p-канальными транзисторами. В результате этого переключения появляется небольшое изменение входного напряжения смещения, передающееся на выход с установленным усилением. Это изменение для разных экземпляров может быть разным: и положительным и отрицательным. Поскольку граница переключения разная для разных образцов микросхем, входное напряжение смещения нормируется для входного напряжения выше и ниже границы переключения.

Ключи мультиплексора сконструированы так, что они выключаются быстрее, чем включаются, и таким образом устраняют любые проблемы с замыканием двух источников входных сигналов между собой. В состав аналогового мультиплексора включены четыре внутренних калибровочных канала мультиплексора для упрощения калибровки системы. Эти калибровочные каналы позволяют скорректировать погрешности усиления и смещения нуля АЦП. Эта калибровка не устраняет погрешностей смещения и усиления PGA при усилении, большем 1, но для большинства систем должно быть заметным существенное увеличение точности АЦП. Кроме того, эти калибровочные каналы могут использоваться АЦП, чтобы контролировать минимальное и максимальное возможные напряжения от PGA. В архитектуре системы может быть предусмотрена индикация превышения входными аналоговыми сигналами установленных значений.

Усилители серии PGA имеют защиту от перенапряжения по входам ±40 В, которая срабатывает, даже если питание PGA отсутствует. Единичный вход PGA может быть подключен ко множеству различных датчиков или источников сигнала. Динамический входной диапазон системы определяется процессором – с помощью переключения коэффициента усиления.

Все программируемые операционные усилители серии PGA совместимы с TTL- и CMOS-логикой для упрощения взаимодействия с микропроцессором. Входы усилителей имеют лазерную калибровку для уменьшения смещения напряжения и дрейфа нуля, что позволяет значительно сократить количество дополнительных внешних компонентов.

Для цифрового управления коэффициентом усиления требуются два вывода, позволяющих выбрать до 4 различных состояний усиления. PGA202 и PGA203 могут быть использованы, в случаях, когда требуется быстрый и удобный выбор коэффициента усиления.

Отклонение коэффициента усиления и дрейф – наиболее важные параметры для применений с большим требуемым усилением и высокой точностью. Входной ток смещения – наиболее важен для применений с высоким внутренним сопротивлением источника, которые зачастую требуют входного полевого транзистора для минимизации ошибки.

PGA206 позволяет через CMOS- и TTL-совместимые входы выбрать коэффициент усиления с шагом 1, 2, 4 и 8.

PGA207 имеет коэффициенты усиления 1, 2, 5 и 10. Низкий входной ток смещения и входной полевой транзистор гарантируют, что сопротивление мультиплексора не вносит ошибки. Малое время установки выходного напряжения (3,5 мкс с точностью 0,01%) позволяет быстро опрашивать множество каналов.

PGA204 и PGA205 имеют прецизионные биполярные входы, которые хорошо приспособлены для сигналов низкого уровня. PGA205 имеет коэффициенты усиления шагом 1, 2, 4 и 8.

PGA112, PGA113, PGA116 и PGA117 представляют собой комбинацию одновходового усилителя с однополярным питанием и программируемым усилением (PGA) и входного мультиплексора. PGA112 и PGA113 имеют двухканальный мультиплексор и программное выключение для экономии электроэнергии, в PGA116 и PGA117 – десятиканальный мультиплексор, отключение как программное, так и аппаратное. В PGA112 и PGA116 усиление выбирается из ряда (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128), а в PGA113 и PGA117 – из ряда (1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200).

Выбор канала мультиплексора и установка усиления выполняются через стандартный SPI-интерфейс. PGA112, PGA113 имеют трехпроводный цифровой интерфейс SPI, а PGA116, PGA117 – четырехпроводный цифровой SPI-интерфейс с возможностью последовательного соединения по шине данных.

PGA308 – программируемый формирователь аналоговых сигналов сенсоров. Сигнал датчика усиливается в аналоговом тракте и с помощью цифровой калибровки устанавливаются напряжение смещения и усиление. Параметры калибровки сохраняются в семь банков однократно-программируемой памяти.

На рис. 1 показана базовая конфигурация использования PGA в качестве усилительного блока.

 

 

Рис. 1. Использование PGA в качестве усилительного блока

Выходное напряжение определяется выражением:

 

VOUT=G╢VIN (1)

 

где G – коэффициент усиления;
VIN – входное напряжение.

На рис. 2 изображена конфигурация PGA с VREF=AVDD/2, а выражения (2, 3) определяют выходное напряжение для нее.

 

 

Рис. 2. Конфигурирование PGA для усиления сигнала относительно виртуальной земли 

VOUT0 - это выходное напряжение VOUT при выборе канала CH0, а VOUT1 - это VOUT при выборе канала CH1. Эта конфигурация обеспечивает положительное и отрицательное изменение напряжения относительно виртуальной земли - средней точки питания. Вывод VREF не оказывает никакого воздействия при G=1, потому что внутренний резистор обратной связи, RF, замкнут накоротко.

 

VOUT0=G╢VIN0-AVDD/2(G-1) (2) 

 

Если G=1,

то VOUT0=G╢VIN0.

VOUT1=G(VIN1+AVDD/2) - AVDD/2(G-1);

VOUT1=G╢VIN1+AVDD/2,

где -AVDD/2






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.