應用簡報

簡介

可編程增益放大器 (PGA) 是一種增益由數字或模擬信號控制的電子放大器。PGA 結合電子器件的兩個基本構建塊：多路復用器和放大器。PGA 常見用例包括數據采集系統和電機驅動器。通常，當輸入傳感器信號需要在不同的增益值之間變化，然后進行放大以便將信號傳輸到下一個系統元件時，PGA 非常有用。多路復用器允許在不同的增益值之間進行切換，改變放大水平。本文檔探討在 PGA 中使用多路復用器的原因以及為 PGA 選擇合適的多路復用器時需要考慮的兩個關鍵參數：導通電容 (C_ON) 和導通電阻 (R_ON)。

為何選擇多路復用器？

圖 1 基礎分立式 PGA 的電路模型

要獲得不同的增益值，反饋電阻 (R_f) 值（請參閱圖 1）必須根據同相運算放大器 方程式 1 規定的所需增益而變化。

方程式 1.

這種變化可以使用多路復用器來實現。多路復用器允許系統設計人員在不同的 R_f 值之間切換，從而支持多種增益。多路復用器是經濟高效的設計，可在 PGA 內部使用，因為多路復用器具有多種配置，同時系統設計人員可以靈活地實現所需增益。

低導通電容

寄生導通電容與運算放大器反饋電阻相互作用，可能會出現穩定性問題，如 圖 1 所示。多路復用器的導通電容會導致多路復用器輸出信號出現振蕩，對放大信號的完整性產生負面影響。因此，選擇 TMUX1511 等具有低 C_ON 的多路復用器有助于最大限度減少信號失真，提高輸出放大器信號的質量和精度。

例如 1:1 開關單通道的電容值通常為 40pF。因此，當所有四個通道均導通時，反饋路徑的總 C_ON 為 160pF。但使用低 C_ON 多路復用器（例如 TMUX1511，C_ON 為 2.5pF），會在所有四個通道導通的情況下產生僅 10pF 的總反饋電容。顯著減小的反饋電容可確保信號振蕩極小，對放大信號的總體影響也極小，如 圖 2 所示。有關更多信息，請參閱使用低 C_ON 多路復用器改善穩定性問題。

圖 2 運算放大器不穩定

低導通電阻

多路復用器的導通電阻必須盡可能低，以便通過放大最大限度提高信號完整性。R_ON 越高，R_ON 平坦度范圍越寬，增益誤差越高，輸出信號的失真越大。多路復用器的增益誤差隨多路復用器 R_ON 的增加而增大。例如可以使用 方程式 2 計算圖 1 中電路的增益誤差。

方程式 2.

增益誤差計算假定同相電路，不考慮影響增益誤差的所有其他屬性，因為計算從根本上側重于 R_ON。如 表 1 所示，隨著 R_ON 從 2Ω 增加到 120Ω，增益誤差從 0.18% 增加到 10.90%。此外，由于 R_f 與 R_ON 串聯，因此與增益相比，R_ON 變化值的影響為線性。最后，在計算表 1-1 中的增益誤差時，假設啟用信號路徑以及 R_IN = 100Ω 和 R_f = 1kΩ 的值。

導通電阻與導通電容間的關系

通常需要在低 R_ON 值與低 C_ON 值之間進行權衡。為了實現低 R_ON，多路復用器芯片的尺寸需要更寬，以便電流在極小中斷的情況下流動。但隨著芯片尺寸的增加，導通電容也會增加。多路復用器上源極與漏極之間的距離較短，導通電容較低。因此，系統設計人員必須考慮 C_ON 與 R_ON 對系統的影響，確保為設計選擇合適的多路復用器。前文提到的 TMUX1511 是一個多路復用器示例，具有低 R_ON (2Ω) 和低 C_ON (3.3pF)。

總結

本文檔探討在 PGA 中使用多路復用器的原因以及兩個關鍵的多路復用器參數：導通電容和導通電阻。多路復用器用于切換不同的 R_f 值，進而允許同一運算放大器具有不同的增益值。在選擇合適的多路復用器時，需要注意的兩個關鍵參數是導通電容和導通電阻。導通電容越低，信號振蕩和失真越低，輸出信號越準確。低導通電阻可提供較低的增益誤差，因此信號會更準確。最后，系統設計人員必須考慮 C_ON 與 R_ON 對系統的影響，確保為設計選擇合適的多路復用器。