可编程增益放大器(PGA) 是特殊的放大器结构(请参见图1),具有经过修整的内部电阻器网络,拥有比采用离散式电阻器组件的放大器更高的性能。正如图1中PGA 传输函数所显示那样,PGA 输出的绝对误差与内部偏移电压(VOS)、增益精度和VREF 绝对精度有关。
图1 相应传输函数的PGA 配置举例
在一些使用PGA 的应用中,关键的DC 规范为VOS、增益精度与偏移、噪声以及静态功耗。如果参考引脚VREF 不以运算放大器缓冲电路驱动,则PGA 传输函数的精度会受到极大影响。另外,从AC 的角度来看,一个常见的难题是维持频率下的增益精度,其会受到参考引脚电压VREF 以及对它起到缓冲作用的运算放大器的影响。
考虑到带宽、AOL(ω)、RO(ω) 和运算放大器缓冲电路的反馈系数(β)(请参见图2)大小的情况下,我们便可以更好地理解运算放大器效应对VREF 所产生的影响。
图2 Vref 缓冲分压器电压
由于缓冲器本身β = 1,因此输出电压VREF 等于AOLVIN。VREF 流入缓冲放大器反相输入端的输入偏置电流,决定了负载电流的大小程度。这一点非常重要,因为负载电流的大小会调节环路增益(AOLβ) 和闭环输出阻抗ROUT。
图2 显示了VREF 缓冲器的闭环内部电路:Rout、Ro 和AOL 之间的重要关系如方程式1 所示:
方程式 1
总之,随着频率不断增加,运算放大器通过减小AOL、增加Rout 以及延长稳定时间来保持固定输出电压和低阻抗的能力下降。这会影响PGA 增益误差的精度。
为了方便说明,请思考图3所示单端PGA 之例。输入信号VIN 有其DC 组成部分(2.5V),而AC 信号为一个200 mVpp、5 kHz 正弦波:
图3 缓冲器单端PGA
图4 以TINA Spice 中的“万用表”功能对图5 进行分析
我们可以利用TINA Spice 中的“万用表”功能(请参见图4),获得输入电压对输出电压的RMS 值,并用其计算总输出误差,具体计算方法如方程式2 和3:
例如,微功耗精密运算放大器OPA333 便拥有~350 kHz 的增益带宽(GBW) 积。因此,在5 kHz下,闭环特性会下降到造成第二个运算放大器(如OPA376)输出端产生0.08% 误差的程度。若使用一个更高GBW 的放大器(如:另一个精密运算放大器)便可减小这种误差。
通过在TINA SPICE 中绘制出传输函数(VOUT/VIN) 与频率曲线图的关系图,我们可以直观地看到改变阻抗频率的效果(请参见图5)。请注意,相比OPA333,OPA376 当作缓冲器时,增益与频率的关系更加恒定:
图5 OPA333 和OPA376 缓冲器比较图
结果表明,把一个带宽较高的运算放大器(例如:OPA376 等)用作VREF 缓冲放大器,可明显改善总输出误差。
下次,我们将讨论音频处理系统中不断增加的THD(原因和方法分析)。
参考文献
· 《直观型运算放大器之从基础到实际应用》,作者:Frederiksen, Thomas M.。
· 《运算放大器稳定性,第3 部分(共15 部分),RO 和ROUT》(http://www.en-genius.net/includes/files/acqt_030705.pdf ),作者:Tim Green。
· 运算放大器的更多详情,敬请访问:http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/amplifiersandlinears/amplifiersandlinears.page