Инструментальные усилители (ИУ) с программно-управляемым коэффициентом усиления (Ку), как правило, используются для максимального увеличения динамического диапазона входного сигнала от прецизионных датчиков.  Как правило, ИУ используют внешний резистор для задания коэффициента усиления Rg, в этом случае выбор Ку можно осуществить подключением набора резисторов к мультиплексору. Однако при построении такой системы необходимо учитывать влияние 3х факторов: ограничения по питанию, ёмкость ключей и сопротивление открытого канала ключей (Rds-on).

                                              

Твердотельные КМОП ключи требуют источника питания. Когда напряжение истока или затвора превышает напряжение питания, потекут возвратные токи, которые могут вызвать ошибку выходного значения или «защелкивание» ключа. Напряжение на каждом Rg, как правило, находится в пределах падения напряжения диода на соответствующем входе мультиплексора, таким образом, значение входного напряжения ключа должно быть больше диапазона входных напряжений ИУ.

Емкость ключа работает как конденсатор, подключенный к только одному из выводов Rg. Большое значение емкости может вызвать выбросы или нестабильность, однако, влияние на коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) намного важнее. При разработке печатной платы металлизацию со слоя земли, как правило, убирают в области Rg, так как несбалансированная емкость менее чем в 1 пФ приводит к значительному ухудшению КОСС по переменному току. Емкость ключа может достигать десятков пикофарад, что приведет к большим погрешностям.  Возможно использование ключей с малой емкостью или сбалансированной схемы включения ключей с разделением Rg пополам и двумя мультиплексорами посередине для выбора соответствующего Rg.

И наконец, Rds-on ключа влияет на коэффициент усиления. Или, что более важно, Rds-on ключа меняется с изменением напряжения стока, вариации Rds-on обозначаются как Rflat-on. Изменение сопротивления ключа по отношению к сопротивлению Rg создает нелинейность коэффициента усиления. Например, при Rg = 1 кОм, изменение сопротивления ключа Rflat-on = 10 Ом приведет к появлению неопределенности Ку порядка 1% по отношению к диапазону синфазного сигнала. Некоторая часть будет преобразована в дифференциальный сигнал (изменение в 2 Ом приведет к нелинейности порядка 2000 ppm). Сбалансированная схема коммутации является наилучшим решением при дифференциальном входном каскаде, так как напряжение стока ключа в этом случае задается синфазной составляющей входного сигнала, однако неопределенность коэффициента усиления все равно  будет иметь место. Можно использовать ключи с малым сопротивлением открытого канала, однако такие ключи, как правило, имеют более высокую емкость.

Для уменьшения паразитных составляющих рекомендуется использовать ключи на герконах вместо твердотельных.

Однако намного проще и эффективнее использовать интегральный инструментальный усилитель с управляемым коэффициентом усиления (УИУ), такой как AD8231 или AD8250. Или ИУ типа AD8237, который позволяет электрически изменять Ку.

By Scott Hunt