應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)

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可編程增益放大器 (PGA) 是一種增益由數(shù)字或模擬信號(hào)控制的電子放大器。PGA 結(jié)合電子器件的兩個(gè)基本構(gòu)建塊：多路復(fù)用器和放大器。PGA 常見用例包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。通常，當(dāng)輸入傳感器信號(hào)需要在不同的增益值之間變化，然后進(jìn)行放大以便將信號(hào)傳輸?shù)较乱粋€(gè)系統(tǒng)元件時(shí)，PGA 非常有用。多路復(fù)用器允許在不同的增益值之間進(jìn)行切換，改變放大水平。本文檔探討在 PGA 中使用多路復(fù)用器的原因以及為 PGA 選擇合適的多路復(fù)用器時(shí)需要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：導(dǎo)通電容 (C_ON) 和導(dǎo)通電阻 (R_ON)。

為何選擇多路復(fù)用器？

圖 1 基礎(chǔ)分立式 PGA 的電路模型

要獲得不同的增益值，反饋電阻 (R_f) 值（請(qǐng)參閱圖 1）必須根據(jù)同相運(yùn)算放大器 方程式 1 規(guī)定的所需增益而變化。

方程式 1.

這種變化可以使用多路復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)。多路復(fù)用器允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在不同的 R_f 值之間切換，從而支持多種增益。多路復(fù)用器是經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)，可在 PGA 內(nèi)部使用，因?yàn)槎嗦窂?fù)用器具有多種配置，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以靈活地實(shí)現(xiàn)所需增益。

低導(dǎo)通電容

寄生導(dǎo)通電容與運(yùn)算放大器反饋電阻相互作用，可能會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，如 圖 1 所示。多路復(fù)用器的導(dǎo)通電容會(huì)導(dǎo)致多路復(fù)用器輸出信號(hào)出現(xiàn)振蕩，對(duì)放大信號(hào)的完整性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，選擇 TMUX1511 等具有低 C_ON 的多路復(fù)用器有助于最大限度減少信號(hào)失真，提高輸出放大器信號(hào)的質(zhì)量和精度。

例如 1:1 開關(guān)單通道的電容值通常為 40pF。因此，當(dāng)所有四個(gè)通道均導(dǎo)通時(shí)，反饋路徑的總 C_ON 為 160pF。但使用低 C_ON 多路復(fù)用器（例如 TMUX1511，C_ON 為 2.5pF），會(huì)在所有四個(gè)通道導(dǎo)通的情況下產(chǎn)生僅 10pF 的總反饋電容。顯著減小的反饋電容可確保信號(hào)振蕩極小，對(duì)放大信號(hào)的總體影響也極小，如 圖 2 所示。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱使用低 C_ON 多路復(fù)用器改善穩(wěn)定性問題。

圖 2 運(yùn)算放大器不穩(wěn)定

低導(dǎo)通電阻

多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻必須盡可能低，以便通過(guò)放大最大限度提高信號(hào)完整性。R_ON 越高，R_ON 平坦度范圍越寬，增益誤差越高，輸出信號(hào)的失真越大。多路復(fù)用器的增益誤差隨多路復(fù)用器 R_ON 的增加而增大。例如可以使用 方程式 2 計(jì)算圖 1 中電路的增益誤差。

方程式 2.

增益誤差計(jì)算假定同相電路，不考慮影響增益誤差的所有其他屬性，因?yàn)橛?jì)算從根本上側(cè)重于 R_ON。如 表 1 所示，隨著 R_ON 從 2Ω 增加到 120Ω，增益誤差從 0.18% 增加到 10.90%。此外，由于 R_f 與 R_ON 串聯(lián)，因此與增益相比，R_ON 變化值的影響為線性。最后，在計(jì)算表 1-1 中的增益誤差時(shí)，假設(shè)啟用信號(hào)路徑以及 R_IN = 100Ω 和 R_f = 1kΩ 的值。

導(dǎo)通電阻與導(dǎo)通電容間的關(guān)系

通常需要在低 R_ON 值與低 C_ON 值之間進(jìn)行權(quán)衡。為了實(shí)現(xiàn)低 R_ON，多路復(fù)用器芯片的尺寸需要更寬，以便電流在極小中斷的情況下流動(dòng)。但隨著芯片尺寸的增加，導(dǎo)通電容也會(huì)增加。多路復(fù)用器上源極與漏極之間的距離較短，導(dǎo)通電容較低。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮 C_ON 與 R_ON 對(duì)系統(tǒng)的影響，確保為設(shè)計(jì)選擇合適的多路復(fù)用器。前文提到的 TMUX1511 是一個(gè)多路復(fù)用器示例，具有低 R_ON (2Ω) 和低 C_ON (3.3pF)。

總結(jié)

本文檔探討在 PGA 中使用多路復(fù)用器的原因以及兩個(gè)關(guān)鍵的多路復(fù)用器參數(shù)：導(dǎo)通電容和導(dǎo)通電阻。多路復(fù)用器用于切換不同的 R_f 值，進(jìn)而允許同一運(yùn)算放大器具有不同的增益值。在選擇合適的多路復(fù)用器時(shí)，需要注意的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是導(dǎo)通電容和導(dǎo)通電阻。導(dǎo)通電容越低，信號(hào)振蕩和失真越低，輸出信號(hào)越準(zhǔn)確。低導(dǎo)通電阻可提供較低的增益誤差，因此信號(hào)會(huì)更準(zhǔn)確。最后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮 C_ON 與 R_ON 對(duì)系統(tǒng)的影響，確保為設(shè)計(jì)選擇合適的多路復(fù)用器。