信號鏈基礎(chǔ)知識:探討可編程增益放大器驅(qū)動參考引腳

可編程增益放大器 (PGA) 是特殊的放大器結(jié)構(gòu)（請參見圖 1），具有經(jīng)過修整的內(nèi)部電阻器網(wǎng)絡(luò)，擁有比采用離散式電阻器組件的放大器更高的性能。正如圖 1 中 PGA 傳輸函數(shù)所顯示那樣，PGA 輸出的絕對誤差與內(nèi)部偏移電壓(V_OS)、增益精度和 V_REF 絕對精度有關(guān)。
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在一些使用 PGA 的應(yīng)用中，關(guān)鍵的 DC 規(guī)范為 V_OS、增益精度與偏移、噪聲以及靜態(tài)功耗。如果參考引腳 V_REF 不以運算放大器緩沖電路驅(qū)動，則 PGA 傳輸函數(shù)的精度會受到極大影響。另外，從 AC 的角度來看，一個常見的難題是維持頻率下的增益精度，其會受到參考引腳電壓 V_REF 以及對它起到緩沖作用的運算放大器的影響。
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考慮到帶寬、A_OL(ω)、R_O(ω) 和運算放大器緩沖電路的反饋系數(shù) (β)（請參見圖 2）大小的情況下，我們便可以更好地理解運算放大器效應(yīng)對 V_REF 所產(chǎn)生的影響。
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由于緩沖器本身 β = 1，因此輸出電壓 V_REF 等于 A_OLV_IN。V_REF 流入緩沖放大器反相輸入端的輸入偏置電流，決定了負載電流的大小程度。這一點非常重要，因為負載電流的大小會調(diào)節(jié)環(huán)路增益 (A_OLβ) 和閉環(huán)輸出阻抗 R_OUT。
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圖 2 顯示了 V_REF 緩沖器的閉環(huán)內(nèi)部電路：R_out、R_o 和 A_OL 之間的重要關(guān)系如方程式 1 所示：
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總之，隨著頻率不斷增加，運算放大器通過減小 A_OL、增加 R_out 以及延長穩(wěn)定時間來保持固定輸出電壓和低阻抗的能力下降。這會影響 PGA 增益誤差的精度。
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為了方便說明，請思考圖 3 所示單端 PGA 之例。輸入信號 V_IN 有其 DC 組成部分 (2.5V)，而 AC 信號為一個 200 mVpp、5 kHz 正弦波：
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我們可以利用 TINA Spice 中的“萬用表”功能（請參見圖 4），獲得輸入電壓對輸出電壓的 RMS 值，并用其計算總輸出誤差，具體計算方法如方程式 2 和 3： ?
例如，微功耗精密運算放大器 OPA333 便擁有 ~350 kHz 的增益帶寬 (GBW) 積。因此，在 5 kHz下，閉環(huán)特性會下降到造成第二個運算放大器（如OPA376）輸出端產(chǎn)生 0.08% 誤差的程度。若使用一個更高 GBW 的放大器（如：另一個精密運算放大器）便可減小這種誤差。
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通過在 TINA SPICE 中繪制出傳輸函數(shù) (V_OUT/V_IN) 與頻率曲線圖的關(guān)系圖，我們可以直觀地看到改變阻抗頻率的效果（請參見圖 5）。請注意，相比 OPA333， OPA376 當作緩沖器時，增益與頻率的關(guān)系更加恒定：
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結(jié)果表明，把一個帶寬較高的運算放大器（例如：OPA376 等）用作 V_REF 緩沖放大器，可明顯改善總輸出誤差。
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下次，我們將討論音頻處理系統(tǒng)中不斷增加的 THD（原因和方法分析）。
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