一种可编程增益放大电路实现方法

荆立雄，任晓琨，朱耀国，卢亦桐

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

在一些微小差分信号的采集应用中，需要通过仪表运放对微小的传感器信号进行高精度采集，其需要对微小信号进行合理放大，以确保其工作在最佳的线性区间，保证信号的高精度测量。同时，仪表运放高共模抑制比也有利于抑制共模电压，特别适用于航空航天、工业控制现场等较为复杂的环境。

为了实现高精度传感器测量动态范围的最大化，通常可以选用可编程增益仪表放大器(PGIA)。优先推荐使用单片集成式的PGIA，其拥有高性能、更小的尺寸，寄生效应更小。但针对不同的应用，并不一定能选到合适的单片集成PGIA芯片，此时，我们可以通过分立组合式的解决方案，即通过仪表运放和模拟开关的组合，实现仪表运放增益电阻外部实时调整的目的。

1 分立组合方案的架构

分立组合式方案主要是通过多路模拟开关来调节仪表运放的外部增益电阻的阻值，模拟开关可以选择多路复用器MUX或者单刀单掷SPST类的模拟开关，其典型架构如图1。

图1 利用MUX模拟开关实现分立组合式可编程增益仪表放大电路

通过在多路复用器的不同通道上串接不同阻值的增益电阻，通过切换通道，即可以将增益电阻改变以改变整个电路的放大增益。SPST模拟开关是通过将不同通道之间的增益电阻构成不同的并联关系，以调整整个放大增益。其核心目的均是改变仪表运放的增益电阻，实现增益程控实时调节。

但分立组合式方案来实现PGIA也需要充分考虑模拟开关相关特性对整个电路特性的影响，其中，电源与信号电压的限制、开关电容、导通电阻和导通时间等对整个放大电路的影响较大。设计者在采用分立组合式方案前，应充分考虑以上参数的影响。下面对各参数影响进行逐个分析。

2 电源与信号电压的限制

在分立组合式的架构中，固态CMOS模拟开关需要电源供电，仪表运放也需要电源进行供电。电源和信号电压的限制即是指模拟开关和仪表运放的电源和信号电压范围需要相互匹配。通常，固态CMOS模拟开关的源级和漏级电压不能超过其供电电压，若长时间超过供电电压，可能造成模拟开关烧毁。

模拟开关的源级和漏级接入仪表运放的增益电阻端口，通常增益电阻引脚比仪表运放的供电电源低一个二极管管压降。因此，应保证模拟开关的供电电压至少与仪表运放的供电电压持平或高于仪表运放的供电电压。若仪表运放的供电电压高，则会通过增益电阻引脚将高电压施加到模拟开关的源级和漏级，长时间工作会烧毁器件。

3 模拟开关寄生电容的影响

若采用多路复用器的分立结构，开关电容类似于将电容悬于其中一个RG引脚上，并保持另一个RG引脚不变。足够大的电容可能导致峰化或不稳定，另外会导致整个放大电路的共模抑制比大大下降，相当于多路复用器的寄生电容导致了仪表运放内部正度端的不平衡。以常见的仪表运放为例，若仅在一个RG引脚上存在电容，由电容引起的CMRR的估算如下：

CMRR(f)=-20×log10(f×2π×CRG×RF)

例如，如果内部反馈电阻RF=10kΩ，CRG=30pF，则10kHz时的CMRR仅为34dB。大大降低了放大电路的共模抑制比。

通过SPST单刀单掷模拟开关可以有效的解决此类问题，SPST单刀单掷模拟开关是一种平衡开关架构，其不会导致仪表运放内部正负端的不平衡，也就不会带来共模抑制比的大幅下降。

图2 利用SPST模拟开关实现分立组合式可编程增益仪表放大电路

4 模拟开关导通阻抗的影响

根据仪表放大器的增益公式，开关的导通电阻直接影响增益。如果模拟开关导通阻抗明显低于增益电阻，则不会带来较大的增益精度影响。若增益电阻本身较低，则模拟开关导通阻抗不可避免会造成较大的增益精度影响。通常，模拟开关的导通阻抗在几欧～几十欧之间，SPST模拟开关的导通阻抗要明显低于MUX多路复用器的开关阻抗，设计时应充分考虑导通阻抗的影响，对增益精度进行计算。

5 模拟开关导通时间的影响

除导通阻抗外，还需要充分考虑导通时间对整个放大电路动态特性的影响。以多路复用器ADG506为例，在常温25℃下主要动态特性指标如下：道导通时间为200ns，信号传递时间为200ns，通道断开时时间为200ns，加上降额预留时间，在模拟开关切换时，应至少预留1us时间，因此，在采集高动态特性的交流信号时，会明显影响整个放大电路的特性。并且在极限温度条件下，模拟开关的相应时间参数最高可漂移25%，因此，设计时应充分考虑导通时间的影响。

6 小结

设计可编程增益仪表放大电路的最优选择仍是使用集成式PGIA，在无最优选择时，使用固态开关的确可以构建可编程增益仪表放大器，但是这种方式也非常容易使仪表放大器失去其特有的平衡，同时降低电路精度。平衡开关架构和现代开关(如ADG5412F)能有效优化此类设计。同时，需要在设计初期将电源与信号电压的限制、模拟开关寄生电容、模拟开关导通阻抗和模拟开关导通时间的影响充分考虑在内。