使用MOSFET和晶体管的可编程增益放大器

在测量行业中，一个非常关键的功能模块是可编程增益放大器(PGA)。如果您是电子爱好者或大学生，您可能已经见过万用表或示波器非常珍贵地测量非常小的电压，因为电路具有内置PGA和功能强大的ADC，有助于精确测量过程。

如今，现成的PGA放大器提供了一个基于运算放大器的非反相放大器，具有用户可编程的增益因子。这种类型的器件具有非常高的输入阻抗，宽带宽和内置的可选输入参考电压。但所有这些功能都是有成本的，对我来说，不值得将昂贵的芯片用于通用应用。

因此，为了克服这些情况，我提出了一个由运算放大器，MOSFET和Arduino组成的安排，通过它我能够以编程方式改变运算放大器的增益。因此，在本教程中，我将向您展示如何使用LM358运算放大器和mosfet构建自己的可编程增益放大器，并且我将讨论电路的一些优点和缺点以及测试。

运算放大器基础

为了理解这个电路的工作原理，了解运算放大器的工作原理是非常重要的。通过以下运算放大器测试电路了解更多有关运算放大器的信息。

在上图中，你可以看到一个运算放大器。放大器的基本工作是放大输入信号，除了放大，运算放大器还可以做各种运算，如求和、微分、积分等。在这里了解更多关于求和放大器和差分放大器的信息。

运算放大器只有三个端子。带(+)号的端子称为非反相输入，带(-)号的端子称为反相输入。除了这两个端子外，第三个端子是输出端子。

运算放大器只遵循两条规则

1.没有电流流入或流出运放输入。

2.运算放大器试图使输入保持在相同的电压水平。

因此，有了这两个规则澄清，我们可以分析下面的电路。此外，通过各种基于运算放大器的电路来了解更多关于运算放大器的知识。

可编程增益放大器工作

上图给了你一个关于我的crud PGA放大器电路安排的基本想法。在这个电路中，运算放大器被配置为一个非反相放大器，正如我们都知道的非反相电路安排，我们可以通过改变反馈电阻或输入电阻来改变运算放大器的增益，正如你可以从上面的电路安排中看到的，我只需要一次切换一个mosfet来改变运算放大器的增益。

在测试部分，我只是一次切换一个mosfet，并将测量值与实用值进行比较，您可以在下面的“测试电路”部分中观察结果。

组件的要求

•Arduino Nano - 1

•Lm358 IC - 1

•LM7805稳压器- 1

•通用NPN晶体管- 2

•通用n沟道MOSFET - 2

•200K电阻- 1

•50K电阻- 2

•24K电阻- 2

•6.8K电阻- 1

•1K电阻- 4

•4.7K电阻- 1

•220R， 1%电阻- 1

•触觉开关通用- 1

•琥珀色LED 3mm - 2

•面包板通用- 1

•跳线通用- 10

•电源±12V - 1

原理图

为了演示可编程增益放大器，在原理图的帮助下，电路在无焊面包板上构建;为了减少面包板内部的寄生电感和电容，所有的元件都尽可能地放置在一起。

如果你想知道为什么在我的面包板上有一簇电线?让我告诉你，这是一个良好的接地连接，因为在面包板内部接地连接是非常差的。

这里电路中的运算放大器配置为非反相放大器，来自7805稳压器的输入电压为4.99V。

电阻R6的测量值为6.75K， R7的测量值为220.8R，这两个电阻形成分压器，用于产生运放的输入测试电压。电阻R8和R9用于限制晶体管T3和T4的输入基极电流。电阻R10和R11用于限制mosfet T1和T2的开关速度，否则会引起电路振荡。

在本博客中，我想向您展示使用MOSFET而不是BJT的原因，因此电路安排。

Arduino PGA代码

在这里，Arduino Nano用于控制晶体管的基极和mosfet的栅极，万用表用于显示电压水平，因为Arduino的内置ADC在测量低电压水平时做得非常差。

下面给出了这个项目的完整Arduino代码。由于这是一个非常简单的Arduino代码，我们不需要包含任何库。但是我们确实需要定义一些常量和输入引脚，如代码所示。

void setup()是主要的功能块，其中根据需求执行所有输入和输出的读写操作。

可编程增益放大器的计算

PGA放大器电路的测量值如下所示。

注意!电阻器的测量值显示出来，因为与测量的电阻器值我们可以密切地比较理论值和实际值。

现在分压器计算器的计算如下所示：

分压器输出为0.1564V

计算4个电阻的非反相放大器增益

当R1为所选电阻时为Vout

当R2为所选电阻时为Vout

当R3为所选电阻时为Vout

当R4为所选电阻时为Vout

我所做的一切都是为了尽可能接近地比较理论和实际价值。

计算完成后，我们可以进入测试部分。

可编程增益放大电路的测试

上图显示了当MOSFET T1接通时的输出电压，因此电流流过电阻R1。

上图显示了当晶体管T4接通时的输出电压，因此电流流经电阻R4。

上图显示了当MOSFET T2接通时的输出电压，因此电流流过电阻R2。

上图显示了晶体管T3接通时的输出电压，因此电流流过电阻R3。

从原理图中可以看出，T1、T2是mosfet， T3、T4是晶体管。因此，当使用mosfet时，误差在1到5 mV范围内，但当晶体管用作开关时，我们得到的误差在10到50 mV范围内。

根据上述结果，很明显，MOSFET是这种应用的最佳解决方案，理论和实践中的误差可能是由于运算放大器的偏移误差引起的。

注意!请注意，我添加了两个led只是为了测试，你无法在实际的原理图中找到它们，它显示二进制代码来显示哪个引脚是活跃的

可编程增益放大器的优缺点

由于这种电路便宜、容易和简单，它可以在许多不同的应用中实现。

在这里，MOSFET用作开关，将所有电流通过电阻到地，这就是为什么温度的影响不确定，并且使用我有限的工具和测试设备，我无法向您展示变化温度对电路的影响。

将BJT与mosfet一起使用的目的是因为我想向您展示BJT对于这种应用有多差。

反馈电阻和输入电阻的值必须在KΩ范围内，这是因为具有较低的电阻值，更多的电流将流过MOSFET，因此更多的电压将在MOSFET上下降，导致不可预测的结果。

进一步增强

电路可以进一步修改以提高其性能，例如我们可以添加滤波器来抑制高频噪声。

由于本次测试使用的是LM358软糖运放，因此运放的偏置误差在输出电压处起着重要作用。因此，可以通过使用仪器放大器而不是LM358来进一步改进。

这个电路仅作演示之用。如果您正在考虑在实际应用中使用此电路，则必须使用斩波式运算放大器和高精度0.1欧姆电阻来实现绝对稳定性。

本文编译自circuitdigest