О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ УСИЛИТЕЛЕ

Если необходимо увеличить динамический диапазон измерительного усилителя (in-amp), можно использовать измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления в микроэлектронном исполнении (PGIA), в котором узел с коммутируемыми резисторами является внутренним узлом измерительного усилителя. Однако, если коммутируемые резисторы являются внешним узлом, как показано на рис. 1, то в такой схеме следует учитывать ограничения, вызванные уровнем питания мультиплексора, уровнем входного напряжения, величинами сопротивлений замкнутых ключей, а также ограничения, вызванные емкостью ключей.
Для использования CMOS-мультиплексора для коммутации резисторов необходим отдельный достаточно мощный источник питания. Если входное напряжение ключа превышает напряжение питания, появляется дополнительный ток через ключ от источника питания, искажающий сигнал на выходе ключа. Учитывая, что напряжение на входах RG усилителя AD8421 (рис. 1), ограничено встроенными диодами, диапазон изменения напряжения на выходе ключей может превышать входной диапазон измерительного усилителя. Наличие емкости в коммутируемой цепи может отрицательно влиять на величину КОСС.
Разбаланс емкостей входов RG (CRG) даже на 10 пФ приводит к существенным погрешностям, как следует из выражения
КОСС(f) = -20lg2πfCRG.

Рис. 1. PGIA-усилитель на основе измерительного усилителя AD8421 и мультиплексора

Например, если внутренний резистор обратной связи равен 25 кОм, а емкость CRG = 10 пФ, то КОСС на частоте 10 кГц составит не более 36 дБ. Для того, чтобы уменьшить влияние разбаланса емкостей на входах RG измерительного усилителя, следует использовать ключи с малой величиной емкости или использовать схему ключа, приведенную на рис. 2.

Рис. 2. PGIA-усилитель на основе SPST-ключа
ADG5412F и измерительного усилителя AD8421

В заключение отметим, что сопротивление замкнутого ключа значительно влияет на величину коэффициента усиления измерительного усилителя. Кроме того, величина сопротивления замкнутого ключа является переменной величиной, которая зависит от напряжения входного сигнала ключа. Ее изменение приводит к увеличению погрешности коэффициента усиления и КОСС усилителя. Так, например, если величина сопротивления RG1 составляет 1 кОм, а замкнутого ключа 10 Ом, то погрешность коэффициента усиления такой схемы будет не менее 1%. Поэтому в таких схемах желательно использовать ключи с сопротивлением в открытом состоянии, во много раз меньшим, чем сопротивления резисторов измерительного усилителя, формирующих его коэффициенты усиления.
Альтернативой рассмотренным решениям являются измерительные усилители с программируемым коэффициентом усиления, полностью выполненные по микроэлектронной технологии. К таким PGIA-усилителям относятся ИМС AD8231, AD8250/AD8251/AD8253 и LTC6915. Кроме того, в настоящее время выпускаются более сложные ИМС с функциями измерительного усилителя с программируемым коэффициентом усиления, такие как AD7124 и ADAS3022.

ВЫВОДЫ
Измерительные усилители с программируемым коэффициентом усиления могут быть построены на основе коммутируемых резисторов и стандартных измерительных усилителей. Однако для обеспечения высокой точности и большого КОСС следует использовать измерительные усилители, полностью выполняемые в микроэлектронном исполнении. Семейства измерительных усилителей с программируемым коэффициентом усиления выпускает компания Analog Devices. К ним относятся ИМС AD8231, AD825х и др.