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利用数字变阻器AD5270/AD5272和运算放大器AD8615构建紧凑型、低成本、5 V、可变增益同相放大器 (CN0161)

作者:soothmusic时间:2012-10-21

电路功能与优势

图1所示电路采用数字变阻器AD5270/AD5272 和运算放大器AD8615,提供一种紧凑型、低成本、低电压、可变增益同相放大器。AD5270/AD5272(10引脚3 mm × 3mm × 0.8 mm LFCSP)和AD8615(5引脚TSOT-23)封装尺寸小、成本低,为模拟信号处理电路提供了业界领先的解决方案。

图1. 可变增益同相放大器(原理示意图,未显示去耦和所有连接)
 

该电路提供1024种不同增益,可通过SPI(AD5270)或 I2C(AD5272)兼容型串行数字接口控制。AD5270/AD5272具有± 1%电阻容差性能,可在整个电阻范围内提供低增益误差,如图2所示。

图2. R2值范围与最小输入信号的关系
 

本电路支持轨到轨输入和输出,既可采用+5 V单电源供电,也可采用± 2.5 V双电源供电,并且能够提供最高±150mA的输出电流。

此外,AD5270/AD5272内置一个50次可编程存储器,可以在上电时自定义增益设置。

本电路具有高精度、低噪声和低总谐波失真(THD)等特性,非常适合仪器仪表的信号调理应用。

电路描述

本电路采用数字变阻器AD5270/AD5272和CMOS运算放大器AD8615,提供一种紧凑型、低成本、可变增益同相放大器。

输入信号VIN由AD8615放大。该运算放大器具有低噪声、高压摆率以及轨到轨输入和输出特性。

最大电路增益由公式1确定。

流过AD5270/AD5272(RAW = 20 kΩ 版本)的最大电流为±3mA,由此可根据电路增益限定最大输入电压VIN,如公式2所示。

当与VIN相连的输入信号高于公式2所确定的理论最大值时,应增大R2,并利用公式1重新计算新增益。

另外,还应计算最小增益以减少因AD5270/AD5272漏电流引起的误差。要使漏电流误差忽略不计,流过R2的电流应至少为50 nA的最差条件漏电流的100倍。因此,通过R2的最小电流应为5 μA,这也确定了公式3中的R2最小值。

图2显示了在这些假设条件下,根据运算放大器的输入电压得出的R2值可能范围。

AD5270/AD5272的±1%内部电阻容差可确保增益误差较低,如图3所示。

其中D为载入该数字电位计的码。

图3. 增益和增益误差与十进制码的关系
 

当电路输入为交流信号时,数字电位计的寄生电容可能会导致输出发生不良振荡。不过,在反相器输入与其输出之间连接一个小电容C1便可避免这种情况。对于图4所示的增益和相位图,所用电容值为10 pF。

图4. 交流输入信号的增益和相位与频率的关系(为显示完整增益曲线,垂直刻度经过压缩)
 

AD5270/AD5272具有一个50次可编程存储器,可以在上电时将输出电压预设为特定值。

为了使本文所讨论的电路达到理想的性能,必须采用出色的布局、接地和去耦技术(请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”,以及教程MT-101——“去耦技术”)。至少应采用四层PCB:一层为接地层,一层为电源层,另两层为信号层。

常见变化

AD5271/AD5274 (8位、内置上电50次可编程存储器)均为±1%容差数字变阻器,在不需要10位分辨率的情况下适合本应用。

图1所示基本电路可经过调整,采用高压器件,由30 V电源供电,如CN-0112电路笔记所述。


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