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：

                                                       _{方程式 2}

             _{方程式 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）。

作者：Matthew Hann，德州儀器 (TI) 高精度模擬 SAR ADC 產品線經理

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