Цифровое управление коэффициентом усиления является повседневным элементом аналогового проектирования. Этот элемент часто встречается в трансимпедансных преобразователях тока в напряжение на основе операционных усилителей (ОУ). При проектировании цифровой регулировки усиления в таком преобразователе обычно используется схема, в которой для каждого коэффициента усиления соответствующий резистор обратной связи выбирается цифровым мультиплексором. На Рисунке 1 использована типичная топология включения ОУ IC1, но с изюминкой. При обычном способе использования мультиплексора регулировки усиления выходной сигнал преобразователя брался бы непосредственно с выхода операционного усилителя (микросхема IC1, вывод 6). Проблема, связанная этим методом, заключается в том, что сопротивление включенного канала мультиплексора будет фактически соединено последовательно с выбранным сопротивлением обратной связи. В таких случаях, если сопротивление обратной связи составляет всего несколько сотен Ом или меньше, результирующая ошибка усиления может быть большой. Например, сопротивление включенного мультиплексора HC4052 на Рисунке 1 может превышать 100 Ом. Это значение равно сопротивлению самого низкоомного резистора, задающего коэффициент усиления, и, следовательно, является источником 100%-ной ошибки. Очевидное решение – использование резисторов с большими сопротивлениями – плохо работает, если нужны хорошие характеристики схемы на высоких частотах. Возникающие в результате RC-задержки могут вызывать подъемы частотной характеристики, звон, а иногда и явные колебания.
 |
|
| Рисунок 1. | В этой схеме с программируемым усилением сопротивление включенного канала мультиплексора установки усиления не оказывает никакого влияния на коэффициент усиления. |
В этой статье предлагается подход, позволяющий сделать коэффициент усиления преобразователя ток-напряжение независимым от сопротивления мультиплексора. Идея состоит в том, чтобы использовать два мультиплексора в топологии сигнальный/силовой таким образом, чтобы выходной сигнал поступал с «силового» конца выбранного сопротивления установки усиления, а не непосредственно с выхода операционного усилителя. Если предположить, что нагрузка на «сигнальном» выходе достаточно высока, в результате получается коэффициент усиления, нечувствительный к сопротивлению открытого канала мультиплексора. Остальная часть схемы, окружающая микросхему IC1, представляет собой высокоэффективную схему смещения и предусилителя для криогенного (охлаждаемого жидким азотом) инфракрасного детектора на основе теллурида кадмия ртути. Такие широкополосные фотопроводящие оптические датчики широко используются в ИК-спектрометрах. Они особенно популярны в спектрометрах с Фурье-преобразованием. Их популярность обусловлена низким уровнем шума, чувствительностью в широком диапазоне оптических длин волн и электрическим откликом быстрее 1 МГц.
Примечательными особенностями схемы на Рисунке 1, помимо топологии сигнальный/силовой, являются динамическое смещение детектора (с помощью транзисторов Q1 и Q2), цифровое программирование усиления от 64 до 1 (36 дБ), ручной выбор коэффициентов усиления от 128 до 1 (42 дБ) с помощью переключателей, полоса пропускания примерно 200 кГц и приведенный к входу среднеквадратичный шум примерно 700 нВ (менее 1 нВ/√Гц). Одним из приемов, позволяющих добиться таких шумовых характеристик, помимо использования сверхтихого операционного усилителя LT1028 в качестве IC1, является каскадная структура на инверторах HCT14. Единственное назначение HCT14 – блокировка попадания помех, которые могут присутствовать на цифровых линиях регулировки усиления, в схему мультиплексора переключения усиления. Без этих инверторов любой такой цифровой шум, являющийся частой причиной появления «гремлинов» в аналоговых схемах с большим коэффициентом усиления и компьютерным управлением, легко мог бы проникнуть через емкостные связи в сигнальные тракты.
Купить LT1028 на РадиоЛоцман.Цены
