数字可编程放大器满足传感器增益，测距需求

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大多数数据采集系统和宽动态范围需要调整输入信号电平的方法模拟-数字转换器(ADC),以确保最大的输入信号将会相当接近ADC的全面输入电压(注意,一个典型的ADC的全面输入电压范围是1 V和10 V)之间。与此同时,应用到传感器输出的增益也可能需要在运行时进行调整，例如，在整个温度范围内补偿非线性输出。为了实现这一点，可编程增益放大器(PGA)或可变增益放大器(VGA)通常位于传感器和其ADC之间(图1)．

pga和vga通常都允许选择值通常在1到100之间的固定增益。一些应用，如传感和/或控制电流，需要应用特定的增益来优化传感器输出电压范围和ADC的分辨率。在这些情况下，所需的增益可以在1到1500或更多之间变化，它的值不适合商业pga或vga中的可选择值。

在选择非常高增益的放大电路拓扑时，要方便地记住，在很多情况下，由于目前的噪声，使用非常高值的反馈电阻(> 1 Mâ„μ)是不可取的。此外，如果有必要实现一个增益非常精确的放大器，那么由电阻产生的电流必须远远大于运放的偏置电流。这是唯一可能的，如果电阻没有一个非常高的值。另一方面，放大器的输入电阻一定要高(不是很小)，这是必要的(可取的)。

图2显示了两个具有八个数字可编程增益的放大电路，满足上述所有条件。虽然这些电路可以实现的增益数等于2ⁿ，其中n等于mosfet的数量，它只能实现n个独立增益。这些电路中实现的增益值很容易适应几乎任何应用程序的需要。

图2a为反相放大电路，图2b为非反相放大电路。在这两个电路中，数字信号D₁D₂和D_3.用于选择放大器的增益。使用的mosfet必须是逻辑级mosfet(或逻辑级栅mosfet)与R_DS(上)尽可能低(如2N7002P典型的R_DS(上)= 1 Ω或带有典型R的IRLML2502_DS(上)= 0.05Ω)。

图2a的放大电路中可以选择的独立增益为:

当两个或更多的MOSFET使用，一个MOSFET的体二极管将开始进行电流，如果输入电压(v_我)变得太大，从而使放大器的输出电压失真。为了避免这种情况，必须满足以下条件:

在v_FMOSFET的体二极管正向电压(v_F> 0)。

当只使用一个MOSFET时，输入电压必须满足以下条件，以避免体二极管导通:

图2b放大电路中可选择的独立增益为:

在图2b的电路中，当使用两个或多个mosfet时，当输入电压(v_我)取的负值太小，会使放大器的输出电压失真。为了避免这种情况，必须满足以下条件:

当只使用一个MOSFET时，输入电压必须满足以下条件，以避免体二极管导通:

图3显示了图2a电路的实际应用。在这个例子中，一个可控增益放大器被用来放大输出电压(v_我)，用于集成和滤波由罗高斯基线圈产生的信号。假设ADC将对信号v进行采样_o= k × i(t)的参考电压为v_{REF +}= 2.5 V和V_{REF -}= -2.5 V, Rogowski线圈的灵敏度常数为30 μV/ a，积分器高通滤波器在50 Hz时的电压增益为1.2 (1.64 dB)，我们想在以下范围测量交流电流:1280,320,80，和20 a_RMS．

选择的增益为:G₀= -38.363克₁= -153.452克₂= -613.808, G_3.= -2455.2。如图2a所示，电路中的许多电阻组合可以提供这些增益。下面给出了一种简单快速的方法来计算合适的电阻值:

R_α3.= 300 × r_DS(上)= 300 × 1 Ω = 300 Ω，因此我们设置R的最小值_α确保R的值_DS(上)对放大器增益没有显著影响。

计算所得增益为(方括号内为理论值):

在使用图2b所示的放大电路的情况下，可以用下面的方法来确定提供增益G的合适的电阻值₀= 38 ' 363, G₁= 153 452年,G₂= 613’808,G_3.= 2455”2:

R1= 4·r_α3(G_3.- G₀) / (1 + G²₀) = 1972 â„μ

计算所得增益为(方括号内为理论值):

卡洛斯卡斯特罗-Miguens他获得了西班牙维戈大学的电子工程学位。他目前是维戈大学电子学系的副教授。他的主要兴趣是电力电子(电力转换器的动态建模和控制，电力转换器磁性元件的设计)和嵌入式系统的设计。可以联系到他cmiguens@uvigo.es

Jose B. Castro-Miguens于2003年获得西班牙马德里UPCO大学电气与电子工程学位。他目前(自2003年以来)受雇于Cesinel公司，担任电力电子、仪表工程、信号处理和电力控制方面的设计工程师。