PGA своими руками

Сколько раз ни пытался применить готовые PGA (усилитель с программируемым Ку), ни разу не мог подобрать подходящий. Либо сетка коэффициентов не устраивает, либо (в основном) высокая цена, а часто особенности схемотехники. В результате пришлось изобрести свой.

Казалось бы, чего проще — операционник и коммутатор в цепи ОС, переключающий резисторы нужных номиналов.
Типа:


Как известно, Ку такого усилителя будет определяться соотношением Ку = R2..R5 / R1, выбор задается по адресным входам А0, А1. Вроде все ничего, но есть одно но. Как правило, КМОП-ключи имеют некоторое внутреннее сопротивление, и оно редко меньше 1 Ом, а может достигать и десятков. При этом однозначно нормировать его нельзя, т.к. этот параметр может изменяться как от экземпляра к экземпляру, так и от внешних условий — температуры, амплитуды сигнала и т.д.

Чем это грозит? Тем, что сопротивление ключа вносится в Rос и изменяет Ку. Если требования к точности невысокие и ключ достаточно низкоомный, можно пренебречь внутренним сопротивлением или взять типовое значение из даташита. Однако, если речь идет о прецизионных измерениях, закрывать на это глаза уже нельзя.

Что же делать? Нужно попытаться вынести добавку «за скобки». К счастью, нам повезло :) и коммутатор оказался двухсекционным. Легким движением руки…

… получаем усилитель, не зависящий от капризов природы.

Что произошло? Теперь при подключении любого из резисторов обратной связи мы берем выходное напряжение не с выхода операционника, где оно содержит добавку, обусловленную падением на ключе, а непосредственно с Rос, которое в точности определяется первоначальной формулой, ибо входной ток через R1 уравновешивается выходным через Rос, и напряжение на Rос зависит только от соотношения резисторов. Добавка, обусловленная дополнительным сопротивлением ключа коммутатора, на нем же и осталась.

Эту схему я придумал сам, некоторое время ощущая себя в определенном смысле гением :) пока не наткнулся на описание схемотехники китайского RLC-метра, который срисовали со старинного agilent. Ну и там увидел свой «велосипед». То есть, это вполне стандартный трюк, которым я с удовольствием и делюсь с уважаемым сообществом.

Дополнительный бонус обнаружился при разводке данной конкретной схемы. Кто попробует, поймет, о чем я :)

Спасибо за внимание, успехов в творчестве.
  • +19
  • 24 октября 2014, 14:48
  • MrYuran

Комментарии (48)

RSS свернуть / развернуть
А цифровой потенциометр не? Отлично работают в подобном включении и места на плате не много занимают. Да и стоят не дорого.
0
По-моему, точность не устраивает. Мне обычно меньше процента нужно, а в текущем изделии вообще 0,1% на всю электронику (плюс ещё столько же на датчик)
0
Есть и прецизионные, только стоят дороже. А так калибровка. Вообще 0,1% это круто. Какие ризисторы используются? Из 0,1% ряда индивидуально подбираются?
+1
Внутренняя самокалибровка по эталонам. Номиналы откалибровать можно, главное — стабильность. С2-29 класса С,D
Круто — не то слово. А начальство требует конкретные сроки передачи в производство, никак не понимая, что «стрижка только начата»
0
Изящное решение!
Однако, если речь идет о прецизионных измерениях...
То я бы поставил герконовые реле.
0
  • avatar
  • EW1UA
  • 24 октября 2014, 15:23
Ставил. Не принимая в расчет, сколько они занимают места, есть определенные нюансы. И опять же, сопротивление контактов порядка 200мОм, плюс контактный потенциал, плюс ресурс (вернее, минус), потребление и т.д.
0
Гм, на герконе заметен контактный потенциал? Материал контактов настолько разный?
0
ХЗ, мне остального вполне хватило, чтобы оставить их на макетке и не тащить в прототип.
0
Обратите внимание на PSOC от Cypress.
0
  • avatar
  • psv
  • 24 октября 2014, 15:24
Двачую (недавно видел проект с нетривиальной аналого-цифровой сутью, выполненный полностью на псоке и полутора внешних детальках, «все внутри», так сказать). Хотя и у кипресов, тащемта, тоже есть куча своих проблем и нюансов.
А идея хака, да, хороша! Возьму на заметку, автору спасибо :)
0
Да затыков там и правда много. Например максимальный КУ PGA равен 50.
0
Не знаю какие у кипреса кучи проблем и нюансов — пока не встречал.
Пробую их новые PSOC4. Это наркотик. Тяжело будет спрыгнуть.
Основная проблема — программатор и доступность чипов.

По данной теме:
-ОУ, аналоговый мукс, ацп, и тд и тп — все на кристалле псока
-сопротивление внутренних цепей можно узнать у иде
0
Программатор: www.aliexpress.com/item/IEZ-USB-FX2LP-CY7C68013A-USB-core-board-development-board-USB-logic-analyzer-I2C-serial-and-SPI/1996265014.html
Доступность чипов: www.cypress.com/?id=5057 покупаются чипы прямо в кипрес сторе, доставка почтой микросхем бесплатная
0
— с PSOC4 чет не получилось — не видит чипа

— там и взял, но это пока акция, а потом по $2.5 и доставка $25
0
Странно почему не видит. Должно работать. Может прошивка не та, ноги не те или еще какой косяк?

По акции? Я понял, что чипы там всегда бесплатные по доставке. По крайней мере, сейчас пытался набить корзину пятыми псоками и заказать — доставка нулевая. Стоит включить хотя-бы демоплату за 4 бакса для псок4 — доставка уже под трицатник. Но об этом они там как раз писали — бесплатная доставка распространяется только на чипы.
0
По доставке — хорошо если так.
По программеру — не видел нормального описания процесса переделки, все какие-то форумы с намеками.
Пробовал разные варианты. На выводах программатора активность есть, но программа пишет — не вижу таргета. Пока забросил. Купил платку с бутлодером прошитым.
0
Собственно, вот дьве основные эпические нитки, там все есть:
dangerousprototypes.com/forum/viewtopic.php?f=56&t=3105
dangerousprototypes.com/forum/viewtopic.php?f=56&t=3105 (тут как раз речь идет о псок4, только нужен будет уже не fx2lp, а еще один псок4 в качестве программатора)
0
а еще один псок4 в качестве программатора
PSoC4 или все же PSoC5?
0
Еще один псок5, пардоньте, очепятался.
0
Ошибся. Вторая нить: www.element14.com/community/thread/27067?start=0&tstart=0
0
Мне оч. нравится psoc5, но есть некоторые придирки.
Например: ток ножек маловат, DAC медленный, DMA только в psoc3/5, аппаратный ан. мультиплексор может быть подключен только к порту (ограниченно) и т.д.
Эх, еще бы ток ножек повыше, да возможность питать цифровую периферию 10В и выше, то была бы мечта!
Кстати, у Cypress есть еще интересные контроллеры PowerPsoc.
0
Для этой статьи тэг «схемотехника» был бы уместным.
0
  • avatar
  • EW1UA
  • 24 октября 2014, 15:30
Скорее даже блог.
+2
Это да, и это тоже.
0
Плюсанул. Спасибо. Хороший радиолайфхак.
0
В таких схемах в цепи обратной связи применяют ЦАПы (572ПА1 и AD7520 или аналогичные).
При этом, в качестве сигнального входа используют вход опорного напряжения.
В них сопротивления ключей уже учтены, резисторы выполнены с лазерной подгонкой.
10-разрядный ЦАП позволяет получить коэффициенты усиления от 1 до 1023 с шагом 1.
+1
  • avatar
  • mzw
  • 24 октября 2014, 16:43
Ну, та же ботва, что и с потенциометрами.
Gain Error 0,3% of FSR
0
www.microchip.su/showthread.php?t=8915
housea.ru/index.php/electronews/46602
rt20.mybb2.ru/viewtopic.php?t=14254
www.radiomaster.ru/stati/radio/su_1.php
mediaplaneta.net/?page_id=499
Это малая часть результатов поиска по «ОУ с регулировкой усиления на ЦАП»
+2
  • avatar
  • mzw
  • 24 октября 2014, 16:58
+1
  • avatar
  • mzw
  • 24 октября 2014, 17:32
Есть несколько претензий к этой схеме.
Первая в том, что ключи даже в одной микросхеме имеют разброс по сопротивлению. Небольшой, но есть, это значит что компенсация не полная.
Вторая в том, что увеличивается выходное сопротивление каскада на величину сопротивления ключа. Иногда это важно.
Ну и самая важная претензия в том, что коэффициент усиления в этой схеме зависит от импеданса нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем больше усиление.
Коммутатор надо ставить между инверсным входом ОУ и резистивной цепочкой с нужным количеством элементов. В этом случае через коммутатор по течёт только входной ток ОУ и его импедансом можно будет пренебречь.
0
  • avatar
  • Abo
  • 24 октября 2014, 18:07
Первая в том, что ключи даже в одной микросхеме имеют разброс по сопротивлению. Небольшой, но есть, это значит что компенсация не полная.

Читаем через строчку? Автор и убрал сопротивление ключей.

Ну и самая важная претензия в том, что коэффициент усиления в этой схеме зависит от импеданса нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем больше усиление.
По-этому обычно буферный ОУ ставится дополнительно.

Коммутатор надо ставить между инверсным входом ОУ и резистивной цепочкой с нужным количеством элементов. В этом случае через коммутатор по течёт только входной ток ОУ и его импедансом можно будет пренебречь.
Вот этого я вообще не понял. Поясните?
0
Вот этого я вообще не понял. Поясните?
Несколько цепочек ОС (тут можно оптимизировать и собрать их в одну цепочку), коммутатором выбираем какую из них подключить к входу ОУ. Поскольку входное сопротивление ОУ заоблачное, импедансом ключа можно пренебречь. Не уверен правда, как в этом случае повлияет сопротивление закрытого ключа.
0
В таком случае сопротивление ключа все-равно стоит в цепочке ОС… сопротивление ОУ конечно заоблачное, но в ОС ОУ диапазон сопротивлений адекватно работающих — десятки килоом. На фоне сопротивления ключа порядка 100 Ом…
0
Нет, не стоит. Цепочка ОС — с выхода на землю, а коммутатор выбирает только к какой точке цепи ОС подключить отвод на вход ОУ. Он включается последовательно только со входом ОУ, сопротивление которого гигаомы и выше.
0
в таком включении собственная ёмкость ключа может начать пакостить на высокой частоте, у adg709 — 100пФ.
0
Это уже ближе. ППричем, как я понимаю, пакостить будут закрытые ключи?
0
А можно схемку?
Как я понимаю, вы говорите о неинвертирущем усилителе?
0
Как я понимаю, вы говорите о неинвертирущем усилителе?
Да, о нем. Может можно и на инвертирующий распространить, но на эту тему еще думать надо)
Хочу еще обратить внимание на то, что этот вариант предложил не я.
0
Ах да, не вы предложили.
Инвертирующую схему тоже можно сделать.
Если учитывать ёмкости и сопротивления закрытых ключей, то их R‖C будет шунтировать резисторы цепи ОС (через R‖C открытого ключа).
0
У ключей я наблюдал обратную зависимость между емкостью и импедансом -чем выше импеданс, тем меньше ёмкость. У серии ADG44x при относительно большом сопротивлении канала (порядка 100 Ом) ёмкость в закрытом состоянии, если память не изменяет, всего 2пФ. Таким образом влияние ёмкости ключа будет одного порядка с влиянием ёмкости монтажа.
0
Влияние внутренних емкостей — определяется частотой усиливаемого сигнала, на одних частотах это будет влиять очень сильно, вплоть до неработоспособности, в других случаях — про эту емкость можно вообще забыть. За публикацию дешевого и интересного решения — автору спасибо, ну а PGA за 1000-1500 рублей тоже не кто не отменял.
0
А есть ли какой-то сакральный смысл использовать в схеме именно ADG709BRU analog_switch (кроме прямо-таки гипнотизирующего своей прецизионностью самого названия «Analog Devices») заместо сермяжного 74HC4052, который есть даже в деревенской радиолавке? Во многих схемах прецизионных любительских RLC метров и т.п. используется именно такая схемотехника PGA, но с использованием коммутатора 4052.
0
Что на складе лежит, то и используем. Опять же, а есть 4052 в микросоике? А то ведь это такая лошадь 16-ногая.
0
Кто объяснит как компенсируется сопротивление (и прочие радости) второго (Y) канала?
0
Никак. Оно не играет роли (конечно, только при условии высокоомной нагрузки, т.к. включено последовательно с ней — увеличивает выходное сопротивление усилителя).
0
-1
Я в чем-то неправ? Тогда надо поправить, а не проминусовать.
0
Спасибо.
0
Я, кстати, испытал схему в бою.
Превзошло все ожидания, к аналоговой части вообще вопросов нет.
Даже с учетом того, что неправильный детектор RMS поставил, AD737 — больно уж кривой для 0,1%
100 кОм на синусе 1кГц показывает как 1,000е-2 мСм с редкими скачками +/- 0,02-0,05%, но тут всплыли косяки с импульсными помехами по питанию от оледа WEH1602
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.