可編程增益放大器(PGA) 是特殊的放大器結構（請參見圖1），具有經過修整的內部電阻器網絡，擁有比采用離散式電阻器組件的放大器更高的性能。正如圖1中PGA 傳輸函數所顯示那樣，PGA 輸出的絕對誤差與內部偏移電壓(V_OS)、增益精度和V_REF 絕對精度有關。

圖1 相應傳輸函數的PGA 配置舉例

    在一些使用PGA 的應用中，關鍵的DC 規范為V_OS、增益精度與偏移、噪聲以及靜態功耗。如果參考引腳V_REF 不以運算放大器緩沖電路驅動，則PGA 傳輸函數的精度會受到極大影響。另外，從AC 的角度來看，一個常見的難題是維持頻率下的增益精度，其會受到參考引腳電壓V_REF 以及對它起到緩沖作用的運算放大器的影響。

     考慮到帶寬、A_OL(ω)、R_O(ω) 和運算放大器緩沖電路的反饋系數(β)（請參見圖2）大小的情況下，我們便可以更好地理解運算放大器效應對V_REF 所產生的影響。

圖2 V_ref 緩沖分壓器電壓

    由于緩沖器本身β = 1，因此輸出電壓V_REF 等于A_OLV_IN。V_REF 流入緩沖放大器反相輸入端的輸入偏置電流，決定了負載電流的大小程度。這一點非常重要，因為負載電流的大小會調節環路增益(A_OLβ) 和閉環輸出阻抗R_OUT。

   圖2 顯示了V_REF 緩沖器的閉環內部電路：R_out、R_o 和A_OL 之間的重要關系如方程式1 所示：

                     方程式 1

    總之，隨著頻率不斷增加，運算放大器通過減小A_OL、增加R_out 以及延長穩定時間來保持固定輸出電壓和低阻抗的能力下降。這會影響PGA 增益誤差的精度。

   為了方便說明，請思考圖3所示單端PGA 之例。輸入信號V_IN 有其DC 組成部分(2.5V)，而AC 信號為一個200 mVpp、5 kHz 正弦波：

圖3 緩沖器單端PGA

圖4 以TINA Spice 中的“萬用表”功能對圖5 進行分析

    我們可以利用TINA Spice 中的“萬用表”功能（請參見圖4），獲得輸入電壓對輸出電壓的RMS 值，并用其計算總輸出誤差，具體計算方法如方程式2 和3：

    例如，微功耗精密運算放大器OPA333 便擁有~350 kHz 的增益帶寬(GBW) 積。因此，在5 kHz下，閉環特性會下降到造成第二個運算放大器（如OPA376）輸出端產生0.08% 誤差的程度。若使用一個更高GBW 的放大器（如：另一個精密運算放大器）便可減小這種誤差。

    通過在TINA SPICE 中繪制出傳輸函數(V_OUT/V_IN) 與頻率曲線圖的關系圖，我們可以直觀地看到改變阻抗頻率的效果（請參見圖5）。請注意，相比OPA333，OPA376 當作緩沖器時，增益與頻率的關系更加恒定：

圖5 OPA333 和OPA376 緩沖器比較圖

    結果表明，把一個帶寬較高的運算放大器（例如：OPA376 等）用作V_REF 緩沖放大器，可明顯改善總輸出誤差。

    下次，我們將討論音頻處理系統中不斷增加的THD（原因和方法分析）。

參考文獻

·        《直觀型運算放大器之從基礎到實際應用》，作者：Frederiksen, Thomas M.。

·        《運算放大器穩定性，第3 部分（共15 部分），R_O 和R_OUT》（http://www.en-genius.net/includes/files/acqt_030705.pdf ），作者：Tim Green。

·        運算放大器的更多詳情，敬請訪問：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/amplifiersandlinears/amplifiersandlinears.page