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运算放大器电路的增益调整、EPOT应用

时间:2019-03-01 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
 
一般在数字电位器的讨论中,使用术语EPOT而不是数字电位器,EEPOT或E²POT。术语EPOT描述了敏创电子系列的易失性数字电位器,而其他术语描述了在几种不同工艺之一上制造的各种非易失性和易失性器件。这些不同过程如何影响数字电位器性能的细节超出了本文的范围。虽然下面给出的公式可以应用于所有数字电位器电路,但有关额定电压,电流额定值的特殊注意事项专门针对Maxim的EPOT器件。
即使设计人员需要遵守与半导体器件相关的标准约束(即绝对最大额定值),但在工作电路中使用时,工程师应该记住EPOT特有的一些特性。
 
首先要记住的一点是,数字电位器的端到端或绝对电阻的容差通常规定为最大±25%至±30%。这主要是由于工艺变化,本文讨论了处理此问题的技术。
需要考虑的其他事项是EPOT的“刮水器”的特征。EPOT中的“擦拭器”实际上是一串CMOS开关,并且将表现出典型的特性。擦拭器的重要规格包括其电阻,电阻的变化,其最大额定电流和温度系数。例如,MAX5400的抽头电阻规定为典型值250Ω,但最大值为800Ω。抽头的绝对最大额定电流(以及EPOT中的其余电阻)为1mA。应注意不要超过此额定电流,因为过大的电流会损坏设备。最后,擦拭器的温度系数通常约为±300ppm /℃。
一个最终的EPOT考虑因素是它将如何在调整范围的任何一个极端附近表现。例如,当EPOT设置为其较高或较低设置之一时,ESD结构(例如抽头特性)可能开始急剧影响性能。一般的经验法则是尝试将EPOT设置为满量程的10%到90%之间。
 
通常,此处描述的原理适用于敏创电子系列中的所有EPOT。选择256抽头EPOT用于说明目的。在内部,EPOT被视为一串电阻器,CMOS开关“敲击”该串。在线性EPOT中,沿电阻串的间距是均匀的,在对数锥形EPOT中,间距是对数的。因此,具有给定数量(m)抽头的EPOT具有少一个电阻器(m-1)。出于本文讨论的目的,变量“n”表示EPOT的绝对设置(即0到31或0到255等等),“N”表示EPOT设置的比率到它的最大值(即0到1)。例如,在具有256个抽头的线性锥形EPOT中,n = 89的设置将得到N = 0.3490,即89/255。“回覆” “EPOT”是指EPOT的总端到端电阻,因此EPOT可以被认为是具有值N×Re和(1-N)×Re的2个电阻器。此外,增益方程在本文中显示为变量“N”作为G(N)的函数。调整的总可用范围显示为G(0)<= G(N)<= G(1)或G(1)<= G(N)<= G(0),如果适用的话。

非反相配置
电路1是使用EPOT作为可变电阻器的非反相增益配置。在该电路中,擦拭器连接到EPOT的一侧,有效地使器件的(1-N)×Re侧短路。结果,反馈电流流过抽头,EPOT的部分与N×Re相关。该电路相对于N具有良好的线性增益调整曲线,但EPOT的一些特性使该电路具有一些缺点。

图1a。电路1。
 
一个缺点是因为反馈电流流过擦拭器,其电阻(以及电阻随温度的变化)以及其最大额定电流(通常约为1mA)可能限制该电路的应用。另一个缺点是端到端电阻Re是增益等式的一部分,导致Re的±25%容差对增益贡献高达±25%的变化。在数学上,Re对总增益的25%误差的最大可能贡献是25%。当然,随着增益方程中的Re / Ri项变得更小并且“1”项开始主导增益,作为Re的容差的函数的误差变得更小。
 
图1b。电路1的增益,Re = 50k,Ri = 10k。
 
电路1适用于对成本敏感的系统,该系统可以承受总体增益的稍微松散的容差。与这里看到的许多电路一样,这包括诸如音量或亮度控制的电路,其中用户将根据个人喜好迭代地调整电路。另一个有用的应用是自动增益控制电路,其中数字或模拟自动增益控制用于对系统输出进行增益补偿。例如,APD电路可以使用数字或模拟自动增益控制来高精度地控制光电二极管的偏置。在这样的电路中,自动增益控制技术将Re(在EPOT中)的容差从等式中取出。
电路2中示出了另一种可能的配置。这里,使用EPOT作为一种可变分压器,抽头连接到运算放大器的高阻抗输入端。通过将抽头连接到此高阻输入,流过抽头的唯一电流将是运算放大器的输入偏置电流。该电流通常非常。ㄍǔT趐A和uA之间),因此擦拭器的几百Ω电阻的任何变化都可以忽略不计。
图2a。电路2。
此外,增益方程顶部和底部的Re项抵消了N的函数。这样就完全消除了端点到端电阻对增益方程的影响。
不幸的是,这个电路有一个很大的缺点。增益调整相对于N是非线性的。电路2的G(N)曲线如图2所示。通过导出G(N)的斜率为G'(N)= 1 /(1-N) )²,可以看出斜率也是N的函数,因此在N的选择范围内甚至不是分段线性的。在反转配置部分,有几种方法可以使用这个电路并抵消其固有的非讨论了线性度。
图2b。电路2的G(N)。
电路2在许多针对电路1提到的相同系统中是有用的(即,音频控制,亮度控制,AGC环路等)。除了在电路1中看到的应用之外,缺乏对Re的依赖性和擦拭器的电阻使得这成为用于校准调整的优异电路。另请注意,在电路2中,增益步骤大致集中在1到2之间,但仍然可以获得更高的增益。虽然很少见,但某些校准应用可能需要一段高增益,然后是一段非常精细调整的低增益。一个例子可能是测量血压袖带中的气压。在这样的系统中,当启动充气时,压力非常低并且测量主要用于检测故障(高增益)。一旦袖带完全充气,测量结果用于检测袖带压力与时间的微小变化。使用电路2的AGC回路可用于在血压测量期间优化ADC动态范围。校准在生产时完成,以补偿机械和传感器偏差。

反转配置
非反相配置中使用的原理也可以应用于反相运算放大器电路。在电路3中,增益仅仅是输入电阻上反馈路径中的视在电阻。
 
图3a。电路3。
该电路具有作为N的函数的线性增益调整的优点,如图3b所示。

图3b。电路3的G(N),Re = 50k,Ri = 10k。
 
该电路具有与电路1中相同的缺点。由于增益方程略有不同,它对Re的容差的依赖性略有不同。当Re的公差变化时,增益将变化±25%。该电路在反相应用中非常有用,类似于已经提到的电路1和2。
就像电路2一样,电路4不易受到电路1和3所述的缺点的影响。由于顶部和底部的Re项从增益方程中相互抵消,因此增益仅取决于N.因此,误差绝对电阻中的电阻在电路4中被有效地抵消,使其对于具有对端到端电阻具有宽容差的EPOT的吸引力。此外,运算放大器的输入偏置电流通常在pA至uA的范围内。由于流过它的电流很。虼擞旯纹鞯牡缱,温度漂移和最大电流规格不会成为该电路的一个因素。
 
图4a。电路4。
该电路的增益如图4b所示。该电路具有与电路2相同的缺点,其增益调整在整个N范围内将是非线性的。这种固有的非线性增益调整不会妨碍它的使用。该电路非常适合在与电路2相同的应用中需要反相放大器的情况。例如,这可能非常适合用户反馈的应用,例如音量控制或显示亮度控制电路以及校准电路或AGC电路。
 
图4b。具有256抽头EPOT的电路2的G(N)。
然而,一些系统甚至需要作为N的函数的增益步长。下面,给出了两种方法来线性化电路4的增益。