運(yùn)算放大器已經(jīng)證明了它們?cè)谠O(shè)計(jì)人員庫(kù)中作為高功能構(gòu)建模塊的實(shí)用性。這些通用電路元件可輕松轉(zhuǎn)換為緩沖器，放大器，加法器，反相器，積分器，微分器，乘法器，并可用于單端和差分信號(hào)調(diào)理。從某種意義上說(shuō)，改變反饋電阻的能力允許所有運(yùn)算放大器具有可編程的增益。但是，使用固定反饋電阻會(huì)使此增益成為靜態(tài)值。動(dòng)態(tài)可配置增益級(jí)是運(yùn)算放大器的又一種排列，可為模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)提供更多功能和靈活性。

本文介紹了具有可編程增益級(jí)的運(yùn)算放大器，以及它們?nèi)绾斡糜谔岣呋?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器的設(shè)計(jì)的性能和功能。對(duì)于要在復(fù)雜的基于傳感器的應(yīng)用中使用的精密運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)人員需要考慮多個(gè)方面以獲得最佳的規(guī)格和性能組合，同時(shí)平衡成本考慮因素。本文將研究制作您自己的可編程增益運(yùn)算放大器的方法，以及“現(xiàn)成的”市售部件。雖然沒(méi)有簡(jiǎn)單的“一刀切”公式，但以下示例顯示了運(yùn)算放大器選擇如何幫助實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵應(yīng)用目標(biāo)。

低成本傳感

雖然一些更先進(jìn)和昂貴的傳感器是混合信號(hào)系統(tǒng)，但低成本應(yīng)用將使用傳感器作為傳感器和運(yùn)算放大器作為信號(hào)調(diào)理和校準(zhǔn)元件。傳感器通常需要進(jìn)行校準(zhǔn)，偏移和放大，以便在此處使用。此外，這些傳感器的值可能隨著時(shí)間和溫度的變化而變化。

對(duì)于低精度應(yīng)用，例如可編程恒溫器，其中一定程度的誤差并不重要，固定增益級(jí)將讓您進(jìn)入大球場(chǎng)。但是，當(dāng)精度是必須的時(shí)，具有精細(xì)粒度的可編程增益級(jí)允許您通過(guò)允許您在需要時(shí)校準(zhǔn)和偏移（甚至“放大”）您想要檢測(cè)的特定范圍來(lái)從傳感器系統(tǒng)中提取更高的精度。進(jìn)行測(cè)量。

讓我們使用熱敏電阻作為傳感器的一個(gè)例子，用作溫度傳感器。作為一個(gè)簡(jiǎn)單的可變電阻，它反映了溫度隨電阻的變化而變化。作為一種簡(jiǎn)單的低成本傳感器，即使制造工藝是第一品質(zhì)，在不同部件之間的相同溫度下的電阻也可能存在差異。

因此，設(shè)計(jì)中的微控制器不僅需要轉(zhuǎn)換其A/D接收的值，還應(yīng)該補(bǔ)償這些變化，以及布線的影響（可以長(zhǎng)期運(yùn)行）一些設(shè)計(jì)）。

你可以在你的板上添加修整器并校準(zhǔn)每個(gè)單元。然而，這增加了成本并且仍然可以隨時(shí)間和溫度漂移。您可以在固件中添加查找表，但這也會(huì)增加制造步驟和成本，因?yàn)樾枰鄡?nèi)存來(lái)保存查找表，并且每個(gè)單元必須經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)周期。

可用選項(xiàng)

標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器和簡(jiǎn)單的模擬開關(guān)可以進(jìn)行校準(zhǔn)偏移和滿量程范圍調(diào)整（圖1）。這里，可以接通接地參考，以便當(dāng)讀取的值應(yīng)為零時(shí)，讓A/D轉(zhuǎn)換器知道零偏移誤差是什么。微型讀取的A/D值可以使固件增加或減去校正該調(diào)整的零點(diǎn)所需的值。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器可與模擬開關(guān)一起使用，以確定校準(zhǔn)軟件的偏移值。也可以讀取滿量程值，但為了最大化動(dòng)態(tài)范圍，需要增益/衰減控制。

或者，切換一個(gè)表示滿量程值的參考，讓微觀知道實(shí)際讀數(shù)應(yīng)該是什么。應(yīng)調(diào)整輸出運(yùn)算放大器的增益，以反映微量應(yīng)在滿量程時(shí)看到的值，甚至可以補(bǔ)償長(zhǎng)電纜中的IR壓降。您可以在增益級(jí)使用高分辨率數(shù)字微調(diào)電位器（如ADI公司的AD5231BRUZ10）來(lái)完成此任務(wù)（圖2）。

圖2：在運(yùn)算放大器的反饋中添加數(shù)字微調(diào)電位器可以提供精細(xì)的可調(diào)增益粒度，從而最大限度地提高傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。

正如您所看到的，動(dòng)態(tài)調(diào)整增益級(jí)的能力為您的傳感器設(shè)計(jì)增加了另一層控制和功能，有很多方法可以實(shí)現(xiàn)，具體取決于您需要支持的分辨率和范圍。如果需要考慮空間并且可靠性需要非常高，那么如果增益步長(zhǎng)足夠小以精細(xì)調(diào)諧信號(hào)，則單片可調(diào)增益運(yùn)算放大器可能是最佳選擇。幸運(yùn)的是，有許多供應(yīng)商和零件可供選擇。

對(duì)于更高帶寬的信號(hào)，您可能需要查看德州儀器THS7002CPWP，這是一款雙通道，高帶寬，可調(diào)增益運(yùn)算放大器，具有100 MHz，-3 dB增益帶寬（70 MHz單位增益帶寬積）。其3位數(shù)字控制增益級(jí)提供6 dB步長(zhǎng)衰減，以獲得-22至20 dB的端點(diǎn)（圖3）。低噪聲電壓反饋前置放大器有助于確保變化的輸入阻抗不會(huì)影響增益級(jí)，也可用于實(shí)現(xiàn)濾波。 THS7001CPWP是TI提供的單運(yùn)放器件。

圖3：數(shù)字地址位選擇所需的增益值，獨(dú)立的電壓反饋前置放大器支持抗混疊濾波。

使用地址位選擇增益步驟的另一種方法是使用串行總線。例如，MCP6S93T-E/UN也是一個(gè)雙可編程增益運(yùn)算放大器，具有8個(gè)可編程增益步長(zhǎng)，但它不使用尋址方案，而是使用SPI端口，使用內(nèi)部電阻梯選擇預(yù)編程設(shè)置（圖4）。這個(gè)18 MHz的軌到軌部件具有1％的增益誤差，但僅使用2.5至5.5 V的單電源供電，這使其成為模擬信號(hào)調(diào)理的理想選擇，可為A/D提供微控制器。

圖4：地址位的替代方案是串行總線接口。這只需要幾根電線，但可以在沒(méi)有更多引腳和更大封裝的情況下控制更多步驟。

另一個(gè)感興趣的SPI可調(diào)部分來(lái)自Maxim，其雙MAX9939AUB +具有2.15 MHz增益帶寬積和6位可調(diào)增益級(jí)，通過(guò)SPI端口可編程增益從.2到157。一個(gè)很好的功能是內(nèi)部SPI可調(diào)偏移和測(cè)量芯片偏移的能力。

為此，運(yùn)算放大器將其反相輸入與外部引腳斷開，并將其短接至同相輸入。這允許讀入輸入共模偏移誤差并用作軟件中的校準(zhǔn)因子?？梢詫?duì)內(nèi)部4位偏移電壓進(jìn)行編程，以補(bǔ)償零點(diǎn)校準(zhǔn)。它還包含一個(gè)內(nèi)部VCC/2參考，用于在單軌情況下對(duì)AC波形進(jìn)行定心（圖5）。

圖5：除了可調(diào)增益之外，可調(diào)偏移允許更高的積分用于校準(zhǔn)目的，因?yàn)檫@些功能不需要在外部實(shí)現(xiàn)。還提供了VCC/2參考，用于在單軌設(shè)計(jì)中使AC信號(hào)居中。

正如您所知，運(yùn)算放大器可用于差分連接到傳感器，這幾乎消除了共模噪聲問(wèn)題，尤其是在信號(hào)電平最低的測(cè)量源。當(dāng)在遠(yuǎn)程位置一起使用換能器和運(yùn)算放大器時(shí)，可能需要通過(guò)雙絞線差分地發(fā)送運(yùn)算放大器輸出，以消除從運(yùn)算放大器到遠(yuǎn)程A/D轉(zhuǎn)換器的共模噪聲。還有可編程增益運(yùn)算放大器，差分輸出隨時(shí)可用。

以國(guó)家（現(xiàn)在的TI）LMP7312MA/NOPB數(shù)字可編程，可變?cè)鲆娣糯笃?/u>/衰減器為例，具有差分輸出（圖6）。 LMP7312通過(guò)SPI端口控制，可以從傳感器到A/D差分放大和傳遞高達(dá)1 MHz的傳感器信號(hào)，或者可以在雙極性輸入到單端輸出模式下工作。衰減器能夠處理±15 V信號(hào)，增益級(jí)提供6個(gè)精確步長(zhǎng)（在數(shù)據(jù)表中定義），具有出色的保證0.035％最大增益誤差。