用D/A轉換器實現高精度可編程增益放大器

實際應用中,常常需要一個增益可軟件編程的放大器(PGA),用來將不同幅度的模擬輸入信號放大到某個特定范圍,便于A/D轉換器進行采樣,或者將給定信號放大一個由軟件設定的增益后輸出。但可供選用的現成的可編程增益放大器并不多見,需要采用其它方法來實現,通常有兩種方法：1)運放+模擬開關+電阻網絡;2)運放+數字電位器。其中,前一種方法利用模擬開關切換電阻反饋網絡,從而改變放大電路的閉環增益。此種方法所需元器件較多,電路龐大,而且精度受到限制。第二種方案采用固態數字電位器來控制放大電路的增益,線路較為簡單。但現有的數字電位器分辨率有限,常見的有32、64抽頭,少數可達1024抽頭,因而構成的放大器精度有限,無法滿足10位甚至12位數據采集系統的要求。

實際上,還有另外一個更為簡單、精確,但又常常被人們忽視的方法,那就是采用D/A轉換器來實現高精度可編程增益放大器。圖1所示就是一個采用MAXIM公司的12位D/A轉換器MAX502構成的12位可編程增益放大器。可以看到此種方案非常簡單,只需單片D/A轉換器即可實現一個完整的高精度PGA,甚至可以不需要任何外圍元件(圖中的微調電位器W1和W2可以省去)。并且它還具有十分方便的編程接口,可以直接掛到數據總線上(16位總線可以采用MAX502,8位總線可以采用MAX501,SPI串行總線可以采用MAX532)。下面對其工作原理及性能參數進行簡要分析。

工作原理

MAX502 D/A轉換器利用R-2R梯形解碼網絡實現數字量到模擬量的變

輸入不同的數字量D,就可以在1~4096間設定放大器的電壓增益。圖1中的兩個外接電位器W1、W2分別用于對放大器的失調和增益誤差進行微調,可進一步提高放大器的精度,要求不太高時也可以省去。

性能參數

該放大器的性能參數可以根據D/A轉換器的相應參數換算得到,根據MAX502的性能指標可以得到圖1電路的主要性能參數如下：

輸入失調電壓：±1mV (未調整)

輸入失調溫漂：±5μV/℃

增益誤差：0.07%(未調整)

增益溫度系數：±1ppm/℃

單位增益帶寬：3MHz

壓擺率：5V/μs

輸出擺幅：±10V(2kΩ負載)

輸出電阻：0.2Ω

輸出噪聲電壓：25nV/ Hz

總諧波失真(THD)：-90dB