摘 要 本文介绍两种数字式可编程精密电压分压器MAX5430及MAX5431及其应用

关键词 精密电压分压器、匹配电阻、分压比精度、MAX5430及MAX5431

采用数字式可编程精密电压分压器与运算放大器可组成增益可编程的放大器,其与微控制器结合可实现增益自动控制放大器电路。增益自动控制放大器电路并不复杂,它可提高测量电路的精度,并且在一定范围内可用作通用放大器于满量程输出电压不同的传感器。本文主要介绍数字式可编程精密电压分压器集成电路MAX5430/MAX5431及在增益自动控制放大器电路中的应用。

结构与工作原理

MAX5430及MAX5431是两种数字式可编程精密分压器IC,是专门为增益可编程放大器(PGA)设计的。其内部结构如图1所示。它由4选1译码器、电子模拟开关、分压器电阻及匹配电阻(仅MAX5431有)组成。分压器电阻及模拟电子开关的结构图如图2所示。它与同相放大器一起组成增益为1、2、4、8的增益可编程放大器。增益由D0、D2的逻辑电平来控制,其真值表如表1所示。

图1中的L、W及H端分别为电阻分村器的输出端及高端。MATCH_H及MATCH_L分别为匹配电阻的高端及低端。仅MAX5431内有匹配电阻。

主要特点及性能

该种器件主要特点有:单电源12V到15V供电或双电源 12V到 15V供电;功耗低,工作电流典型值35 A;CMOS/TTL逻辑电平兼容,并且3V逻辑电平兼容;工作温度范围-40℃ +85℃;小尺寸8管脚SOT23及10管脚 MAX封装。

该种器件主要性能有:分压器两端H与L之间的电阻是57k ,W端向里看的阻抗在增益为2、4、8时均为14k ,保证极好的与运放输出电阻平衡,在增益为1时,H与W端在内部连接,其阻值典型值为500 。

MAX5431内部有一个匹配电阻用来补偿由于运放的输入偏置电流引起的失调电压。MATCH_H到MATCH_L的电阻是一个固定的匹配电阻，在增益2、4、8时,它等于W端向里看的电阻,在增益为1时,内部开关将H及L端短路,这内部开关与H与W之间开关匹配。

该种器件的分压比精度分三个等级,分别由型号后缀A、B、C来表示,如表2所示。用户可根据测量精度要求来选择。

MAX5430及MAX5431的典型应用电路如图3及图4所示。图3、4中均未画出D0、D1控制端。由于MAX5430没有匹配电阻,因此要选择超低输入偏置电流的运算放大器。在电源输入端应加接一个0.1 F的陶瓷电容器作旁路电溶,若是正负电源供电,则需在VDD及VSS端各接1个0.1 F陶瓷电容器。

增益自动控制的放大器

一种增益自动控制的放大器电路如图5所示。该电路由运算放大器AD8628(A1及A2)、MAX5431及带有模/数转换器(ADC)的微控制器( C)组成,该电路应用于传感器的测量电路。先介绍一下AD8628。

AD8628是ADI公司的新产品,是一种超低失调电压、超低漂移及超低偏置电流、输入/输出满幅值的精密运算放大器。其主要电特性:

工作电压最大值为6V,典型工作电压2.7V 5V;失调电压典型值1 V(最大值5 V,25℃),在-40℃ +125℃时最大值10 F;输入偏置电流典型值30pA(最大值100pA、25℃),在-40℃ 125℃时最大值1.5nA;输入失调漂移在-40℃ +125℃范围典型值0.002 V/℃(最大值0.02 V/℃);在5V工作电压时输出最高电压>4.99V(-40℃ +125℃,RL=100k 时,在RL=10k 时，最高输出电压>4.95V;在同样条件下,输出最低电压2mV(RL=100k )及15mV(RL=10k );电源电压抑率(PSRR)典型值130dB;静态工作电流典型值1mA;电压噪声(enp-p)在0.1Hz到10Hz时0.5 VP-P;过载恢复时间10 s;无需外部补偿;工作温度范围-40℃ +125℃。

该放大器的总增益Av=Av1 Av2。Av1=1+Rf1/Ri1,Av2=1、2、4、8(由D1、D0的逻辑电平决定),则总增益Av=(1+Rf1/Ri1) (1 8),若Ri1=1k ,Rf1=49.9k 、100k 、150k 及200k ,则总增益Av如表3所示。

这里的AV1并没有取50、100……,而是取50.9、101、……。这是考虑电阻取E-96(允差 1%)或E-192(允差 0.5%, -.25%, 0.1%)的标准电阻,以满足增益的精度。

电路工作原理

一般测量电路中的放大器的增益确定后是不变的,而本电路的增益是随传感器输出电压大小而改变的,这工作要微控制器( C)软件来配合实现,这里用实例来说明。

某线性温度传感器的测量范围为0℃到100℃,相应的输出电压为1 40mV。如果采用+5供电带ADC的 C,其ADC最大的输入电压设为4.8V。在本例中,Rf1取100k ,Ri1取 1k ,则总增益Av为101、202、404及808。

如果测量的温度是12.5℃、25℃、50℃、75℃及100℃,则温度传感器相应的输出电压为5mV、10mV、20mV、30mV、40mV。开始采样时用最低的增益(即101),若采样的值小于2.4V(最大允许采样电压的1/2,则增加一倍增益再采样,直到采样到大于2.4V(若第4次采样,即增益为808时,则不管它否在于2.4V,采样结束)。采样的结果如表4所示。

从表4中可以看出:12.5℃、25℃、50℃及100℃采样的结果都是4040mV,但是它们各自的增益不同,经 C按采样值除以增益的计算可得出不同的测量值。例如测量温度为12.5℃时,传感器输出相应的电压是5mV,前三次采样的值都小于2.4V,最后一次采样为4.04V。它的增益是808,则计算传感器的输出电压为:4040mV/808=50mV,相当12.5℃。

采用增益自动控制的放大器电路的特点是,将传感器输出的低电压(如5mV左右)用高增益放大到几伏的输出电压,若放大器与传感器相距较近而离 C较远时,可使放大器输出到 C的连接线受到干扰影响减小,把传感器输出不同的电压都放大到相当大(并且差不多大)的电压,可以提高模/数转换的精度;并且在传感器满量程输出电压在一定范围变动时,不改变电路的总增益也是可以的。例如,不同的传感器,如果它们的满量程输出电压在30mV到45mV之内,则用Av=101、202、404、808的放大器都能适用。

由于采用了 C,除了用作增益自动控制外,还可利用软件作数字滤波,非线性补偿、零输出补偿及温度补偿,这可提高测量的精度。

图4中的运放精度及ADC的位数选择要根据测量精度及使用条件来决定,若传感器是桥式传感器,则A1可采用仪器放大器,图5是采用OPA211及INA106组成的仪器放大器。

虽说这种增益自动控制电路也可以用硬件来实现，但电路要稍复杂些，在有单片机的测量装置中，采用这种增益自动控制电路不仅电路较简单，并且软件设计也极简单。