本文介紹一種促進可編程增益儀錶放大器（PGIA）工作的工具和方法，並且逐一介紹各個設計步驟，快速掌握使用新發佈的儀錶放大器創建精密PGIA所需的外部元組件值。

當與感測器連接時，儀錶放大器（IA）的作用強大且功能多元，但也存在一些會阻礙可變增益IA或可編程增益儀錶放大器（PGIA） 設計的限制。在有些文獻中，後者也被稱為軟體可編程增益放大器（SPGA）。因為針對要求根據各式感測器或環境條件調節電路的情況時，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，而這會降低精度。

在ADI刊物《類比對話》其中一篇文章，談到多種有助於創建精密、穩定的PGIA的技術；在文中指出這種設計可能存在的缺陷，並展示對於可用解決方案和技術的全面調查。本文將介紹另一種促進這項工作的工具和方法，並且逐一介紹每一個設計步驟，能夠快速掌握使用新發佈的儀錶放大器創建精密PGIA所需的外部零組件值。

儀錶放大器新架構

常見的儀錶放大器架構，如圖1所示。

圖1 : 經典儀錶放大器。

增益由外部電阻器RG的值來設定。要使用這類元件創建PGIA，只需切換RG的值即可。這種切換通常使用類比開關或多工器來完成。但是，類比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所示為基於標準儀錶放大器結構的變化版本，注意RG接腳如何被分解成±RG,S和±RG,F，單獨引出，並從元件封裝外部進行配置。

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：能夠配置儀錶放大器，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低點。此特性可用於創建PGIA。

如上所述，任何電阻可編程儀錶放大器都可以透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（R_ON）標稱值及其變化會造成較大的增益誤差；

‧ 由於需要的開關R_ON值較低，高增益值可能無法實現；

‧ 開關非線性會引起訊號失真。這是因為訊號電流直接流過R_ON，因此其值隨著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接腳是單獨引出的。在此原理圖中，惠斯登電橋（由R5至R8組成）產生的訊號被放大，提供4個可能的增益值，使用者可根據選擇的SW1開關位置進行選擇。利用LT6372系列接腳排列，可以創建一個PGIA以透過改變RF/RG比來獲得所需的增益值。

圖3 : LT6372-1 PGIA電橋介面，提供四種增益設定。

此外，作為增益誤差源的U1、U2類比開關R_ON被降至低點，因為它可以與輸入級反相埠及其回饋電阻串聯。這樣配置之後，R_ON只占內部12.1 kΩ回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。

同樣的，由於R_ON值只占總回饋電阻的一小部分，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低點。此外，此元件的輸入級由電流回饋放大器（CFA）架構組成，與傳統的電壓回饋放大器相比，它本身在增益變化時所允許的頻寬或速度變化較小。綜合上述所有的這些因素，能夠使用低成本外部類比開關，創建具有精密增益步進的精密PGIA。

圖4為PGIA的簡化圖，展示梯形電阻的不同抽頭（由總共8個類比開關實現，每次短接2個來設定增益）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接腳短接至RF3/RF4結。

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，但是可以透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接腳這一特性，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，可以將回饋電阻計為內部12.1 kΩ調整電阻加上RG,F到RG,S埠連接上與RG,F串聯的其他電阻。相反的，增益設定電阻是+RG,S和-RG,S之間的總電阻。

總結結果為：

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開關上的開關都設定為的短路接腳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反覆運算且彼此相關的過程，可能的增益值相互作用，對選擇使用的電阻產生影響。

確定PGIA的值的步驟

我們可以使用公式依序計算增益網路中的單一電阻值。以方程式確定電阻的方式，如圖3所標示，案例2（增益為2、20、200和500 V/V）用於算出的示例。回饋電阻與增益設定電阻是互動式的；因此，公式必須是目前項取決於之前項的一個系列。

以下是一些定義：

RF1 = 12.1 kΩ （LT6372-1的內建電阻）

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 RF _{i + 1}

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

在計算之前，建議先繪製與圖3所示的網路類似的電阻網路。該網路中有（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

根據等式計算，根據i = 1 → （M-1），以反覆運算的方式求等式1的值，然後，可以使用等式計算中心電阻RG，而在進行最後一步計算之後，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

從下列圖示顯現了使用此PGIA配置可以實現的性能。

圖5 : PGIA大訊號頻率回應。

圖6 : PGIA CMRR與頻率的關係。

ADG444的開關電容使得在最低增益設定（G1 = 2 V/V）下，小訊號頻率回應出現一些明顯的峰化（參見圖7）。這種現象只在採用較低的增益設定時才會出現，因為LT6372-1的頻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的最低增益設定。

圖7 : PGIA小訊號低增益峰化。

結論

本文介紹如何利用新型LT6372系列元件的接腳排列，為儀錶放大器增加增益選擇功能。文中分析這種PGIA的特性，並詳細說明了其設計步驟以及性能測量值。而LT6372-1具有高線性度，提供精準的直流規格和性能，因此非常適合用於此類解決方案。

（本文作者Hooman Hashemi為ADI 產品應用工程師）