用D/A转换器实现高精度可编程增益放大器

实际应用中,常常需要一个增益可软件编程的放大器(PGA),用来将不同幅度的模拟输入信号放大到某个特定范围,便于A/D转换器进行采样,或者将给定信号放大一个由软件设定的增益后输出。但可供选用的现成的可编程增益放大器并不多见,需要采用其它方法来实现,通常有两种方法：1)运放+模拟开关+电阻网络;2)运放+数字电位器。其中,前一种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络,从而改变放大电路的闭环增益。此种方法所需元器件较多,电路庞大,而且精度受到限制。第二种方案采用固态数字电位器来控制放大电路的增益,线路较为简单。但现有的数字电位器分辨率有限,常见的有32、64抽头,少数可达1024抽头,因而构成的放大器精度有限,无法满足10位甚至12位数据采集系统的要求。

实际上,还有另外一个更为简单、精确,但又常常被人们忽视的方法,那就是采用D/A转换器来实现高精度可编程增益放大器。图1所示就是一个采用MAXIM公司的12位D/A转换器MAX502构成的12位可编程增益放大器。可以看到此种方案非常简单,只需单片D/A转换器即可实现一个完整的高精度PGA,甚至可以不需要任何外围元件(图中的微调电位器W1和W2可以省去)。并且它还具有十分方便的编程接口,可以直接挂到数据总线上(16位总线可以采用MAX502,8位总线可以采用MAX501,SPI串行总线可以采用MAX532)。下面对其工作原理及性能参数进行简要分析。

工作原理

MAX502 D/A转换器利用R-2R梯形解码网络实现数字量到模拟量的变

输入不同的数字量D,就可以在1~4096间设定放大器的电压增益。图1中的两个外接电位器W1、W2分别用于对放大器的失调和增益误差进行微调,可进一步提高放大器的精度,要求不太高时也可以省去。

性能参数

该放大器的性能参数可以根据D/A转换器的相应参数换算得到,根据MAX502的性能指标可以得到图1电路的主要性能参数如下：

输入失调电压：<±1mV (未调整)

输入失调温漂：±5μV/℃

增益误差：<0.07%(未调整)

增益温度系数：<±1ppm/℃

单位增益带宽：3MHz

压摆率：5V/μs

输出摆幅：±10V(2kΩ负载)

输出电阻：0.2Ω

输出噪声电压：25nV/ Hz

总谐波失真(THD)：-90dB