LTC6915型增益可编程精度仪表放大器

摘要：LTC6915是具有14级可编程增益的仪表放大器，采用轨对轨输出，其增益可通过串行或并行接口方便设置。适用于温度或压力检测，医疗仪器和数据采集等领域。文中介绍LTC6915的技术性能、工作原理及应用电路。 关键词：可编程增益 零漂移 轨对轨 SPI接口 放大器
1 概述
LTC6915是精密的增益可编程仪表放大器。通过并行或串行接口可将增益设置为0、1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048或4096。5V单电源供电时，共模抑制比的典型值是125dB(与增益无关)。失调电压低于10μV，电压漂移小于50nV/℃。
LTC6915采用电荷平衡数据采样技术将一个差分输入电压转换成一个单端信号，然后由零漂移运算放大器对该单端信号进行放大。LTC6915采用轨对轨差分输入和轨对轨单端输出摆幅。可应用于2.7V单电源或±5V双电源供电场合。LTC6915采用16引脚SSOP封装或12引脚DFN封装，后一种封装的引脚排列如图1所示。
2 LTC6915的工作原理
LTC6915通过一个内部电容器CS采集加在直流共模电压上的差分输入信号（采样速率为3kHz，输入阻抗（1kΩ至2kΩ）的大小取决于电源电压）。该电容器的电荷转移到内部保持电容器CH上，用于将输入差分信号的共模电压转换为REF引脚的电压。转换后的信号由零漂移运算发大器同向放大。通过改变电阻器阵列接通的电阻数可控制增益大小。通过并/串行接口设置增益的14个等级。反馈电容器CF用于降低开关噪声。由于采用了输入采样，因此当输入信号大于1.5kHz时可能产生混叠误差。但当输入信号限制在1.5kHz以内时，LTC6915可用作增益可编程的仪表或单极交流放大器的积分器。图2为SSOP封装的原理。
2．1 并行接口
如图3所示，将PARALLEL_SESRLAL连接到V+，则增益控制码由并行线（D3、D2、D1、D0）来设置。当HOLD_THRU接低电平（相当于DGND）或悬空时，并行增益控制位（D3-D0）将直接控制PGA增益。当HOLD_THRU接高电平时，并行增益控制位被读入4位锁存器并加以保存，所以此时D3-D0的变化不会影响PGA增益。DFN封装虽没有HOLD_THRU引脚，但内部与DGND相连。DOUT（D3）引脚是双向的，输出为串行模式，输入为并行模式。并行模式时，DOUT（D3）的电压不能超过V+，否则产生的大电流将通过寄生二极管注入V+。建议并行模式时在DOUT（D3）引脚接一个10kΩ电阻器以限制电流（见图3）。
2．2 串行接口
串行接口原理图如图4所示，将PARAL-LEL_SESRLAL连接到V-，则增益控制码由串行接口来设置。当CS置低电平时，DIN上的串行数据在时钟上升沿移入8位移位寄存器（最高位先移入）。DOUT的串行数据在时钟下降沿移出。当CS为高电平时，移位寄存器的4个最低有效位（即增益控制位）将被加载到4位锁存器中。CS置高电平时时钟脉冲无效。注意：CS置低电平前，CLK应为低电平以避免产生一个额外的内部时钟脉冲。
串行模式下DOUT始终有效，以简化多器件时的菊花链接口。DOUT不能与其他SPI输出相连。此外，CS置高电平时，传输完后DOUT不归零。
当LTC6915之间或其他有串行接口的器件相连时，需将此芯片的DOUT与另一个电路的DIN相连，并且CLK和CS引脚共用。这样CS置高电平时所有电路的串行数据将同时更新。
2．3 输入电压范围
TLC6915输入共模电压的范围是轨至轨的。其差分输入电压范围由下面的公式计算：
V-≤（VIN+-VIN-）+VREF≤V+-1.3
图3
其中VIN+和VIN-为差分输入引脚的电压，V+和V-分别是电源电压的正负极电压，VREF是REF引脚的电压。另外，VIN+和VIN-不能超过电源电压，也就是
V-<VIN+<V+; V-<VIN-<V+
2．4 ±5V电压工作
LTC6915的电源电压高于5.5V时，应注意输入引脚（IN+或IN-）和REF引脚之间的电压差不应超过5.5V，即
|VIN+-VREF|<5.5; |VIN--VREF|<5.5
否则，电路将损坏。比如，工作在轨至轨输入状态下，电源电压为±5V时，REF引脚的电压应为0±0.5V。再如，V+引脚电压为10V，V和REF引脚的电压为0V时，输入不能超过5.5V。
2．5 建立时间
采样速率为3kHz，输入采样周期约为150μs。此周期内Cs由输入差分电压VIN充电。假设每个输入采样周期内CS完全充电，那么，若Cs=CH(=1000pF)，则经过N个时钟周期或333μs×N后，输入端的变化量方可在运算放大器的同向输入端得到精确度为N的信号。OUT引脚的建立时间同样受内部运算放大器的影响。由于内部运算放大器增益带宽的典型值是200kHz，因此当增益小于100时，建立时间取决于可调电容器。另外，最大建立时间等于增益建立时间与输入建立时间（333μs×N）之和。比如，精确度为10（0.1%），增益为100的最大建立时间是3.33ms[(333μs×1024)+5ms]。
2．6 输入电流
无论差分输入信号VIN如何变化，CH通过CS由新的输入电压充电。这样每个输入采样周期都将产生一个输入充电电源。最终CH和CS电压将达到VIN，并且理论上直流输入的输入电流为零。
实际上，即使VIN为直流电压，也存在附加寄生电容从而影响CS充电。例如CS的焊盘产生的寄生电容由REF和IN-引脚的电压差充电产生。这样导致充电电流在每个输入采样周期内都呈指数衰减，其时间常数为RSCS。若该电流产生的电压噪声在采样周期前建立，则不会再现因电源电阻或IN+、IN-之间的电源电阻失配所引起的误差。当RS小于10kΩ时，输入电流失配不会产生直流误差。
2．7 电源旁路
双电源工作时，应在每个电源引脚（V+、V-）连接一个0.1μF的旁路电容器到模拟地。这个旁路电容器至电源引脚的走线长度应小于0.2英寸（建议使用X7R和X5R型号的电容器）。单电源工作时，应将V-引脚与模拟地相连，并旁路V+引脚。
2．8 停止模式
该电路有二种停止模式：硬件停止和软件停止。当SHDN上拉到V+时，处于硬件停止模式。此时增益设置数字接口（并行或串行）和主运算放大器停止工作，因此PGA消耗非常小的电源电流。当SHND悬空时，内部电流源将该引脚下拉至V-，数字接口读取增益设置码。只要增益控制码不是0000，则电路将处于正常放大模式。若增益控制码为0000，则电路工作于软件停止模式，即主运算放大器停止工作，PGA消耗少量能量。DFN封装没有硬件停止模式。
2．9 REF引脚的电压设置
REF引脚流出的电流可能影响该引脚的参考电压（VREF）。如果VREF由一个电阻分压器设置，则该电压是VOUT电压的函数（见图5）。为减小VREF的变化，R1和R2之和应小于32kΩ(5kΩ或更小)或采用一个电压参考来设置VREF。
图6
3 LTC6915的典型应用
LTC6915可以直接连接桥式传感器而获得优良的性能，且电路简单。典型应用电路如图6所示。
4 结束语
凌特公司生产的LTC6915型增益可编程仪表放大器LTC6915具有增益可控、零漂移等特点。本文介绍了LTC6915的技术性能、工作原理及应用电路，为用户在高精度测量仪中应用LTC6915提供借鉴。