设计目标

设计说明

该电路使用可变输入电阻来提供 6dB (2V/V) 至 60dB (1000V/V) 的可编程同相增益。该设计在整个增益范围内保持相同的截止频率。

设计说明

1. 选择一个数字电位器（例如用于 R₁ 的 TPL0102）以设计低成本的数字可编程增益放大器。
2. R₃ 设置当 R₁ 接近 0Ω 时的最大增益。
3. 反馈电容器可限制带宽并防止出现稳定性问题。
4. 评估在所选增益范围内的稳定性。最小增益设置可能对稳定性问题最敏感。
5. 一些数字电位器的绝对值的变化幅度可能会高达 ±20%，因此可能需要进行增益校准。

设计步骤

1. 选择 R₂ 和 R₃ 以设置当 R₁ 接近 0 时的最大增益：
   $$\begin{gathered} {\mathrm{G}}_{\max }=1+\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_3} \\ {\mathrm{G}}_{\max }-1=\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_3}\to {\mathrm{R}}_2=({\mathrm{G}}_{\max }-1)\times {\mathrm{R}}_3 \\ \mathrm{Set} {\mathrm{R}}_3=\text{100 }\mathrm{\Omega } \\ {\mathrm{R}}_2=(\text{1000 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-1)\times 100=\text{99 }\mathrm{k\Omega }\to {\mathrm{R}}_2=\text{100 }\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
2. 选择电位器最大值以设置最小增益：
   $$\begin{gathered} {\mathrm{G}}_{\min }=1+\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_{1,\max }+{\mathrm{R}}_3} \\ {\mathrm{G}}_{\min }-1=\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_{1,\max }+{\mathrm{R}}_3} \\ {\mathrm{R}}_{1,\max }+{\mathrm{R}}_3=\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{G}}_{\min }-1} \\ {\mathrm{R}}_{1,\max }=\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{G}}_{\min }-1}-{\mathrm{R}}_3=\frac{100\mathrm{k\Omega }}{2-1}-100\mathrm{\Omega }=99.9\mathrm{k\Omega }\to {\mathrm{R}}_{1,\max }=100\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \\ {\mathrm{R}}_{1,\min }=0\mathrm{\Omega } (\mathrm{Wiper} \mathrm{resistance}, \mathrm{typically} 25\mathrm{\Omega }, \mathrm{will} \mathrm{introduce} \mathrm{some} \mathrm{error}) \end{gathered}$$
3. 选择反馈电容器的带宽：
   $$\begin{gathered} {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\frac{\mathrm{GBW}}{{\mathrm{G}}_{\max }}=\frac{7\mathrm{MHz}}{1000{\displaystyle \frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}}=7\mathrm{kHz} \\ {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=7\mathrm{kHz}\to {\mathrm{C}}_1=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_2\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}}=227\mathrm{pF} \to {\mathrm{C}}_1=220\mathrm{pF} (\mathrm{Standard} \mathrm{Value}) \end{gathered}$$
4. 检查处于最小增益 (2V/V) 时（即 R₁ = 100kΩ 时）的稳定性。要满足要求，f_c（电路带宽）必须小于 f_zero（由电阻反馈网络以及差分和共模输入电容产生的零点频率）。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{C}}_1\times {\mathrm{R}}_2}=\text{7 }\mathrm{kHz} \\ {\mathrm{f}}_{\mathrm{zero}}=\frac{{\displaystyle 1}}{{\displaystyle 2\mathrm{\pi }\times ({\mathrm{C}}_{\mathrm{cm}}+{\mathrm{C}}_{\mathrm{diff}})\times ({\mathrm{R}}_2\parallel {\mathrm{R}}_1)}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times (\text{3 }\mathrm{pF}+\text{2 }\mathrm{pF})\times \left(\frac{\text{100 }\mathrm{k\Omega }\times \text{100 }\mathrm{k\Omega }}{\text{100 }\mathrm{k\Omega }+\text{100 }\mathrm{k\Omega }}\right)} \\ {\mathrm{f}}_{\mathrm{zero}}=\text{637 }\mathrm{kHz} \\ \text{7 }\mathrm{kHz}<\text{637 }\mathrm{kHz}\to {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}<{\mathrm{f}}_{\mathrm{zero}} \end{gathered}$$

设计仿真

瞬态仿真结果

交流仿真结果

参考资料：

1. 德州仪器 (TI)，分立式可编程增益放大器电路仿真，产品页面
2. 德州仪器 (TI)，低成本数字可编程增益放大器参考设计，产品页面

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器