发散指数和负时间常数是DENT(发散指数负时间常数)DPGA拓扑(图2)的核心理念。 当AMPLIFY/TRACK(放大/跟踪)控制位转向逻辑“1”时,运算放大器跟随器的两个时间反向增益生成一个负时间常数:-(R+1RON)(C+CSTRAY)=-14.4ms,其中,RON是CMOS开关的导通电阻,CSTRAY是C(图3)周围的寄生电容。它还会生成一个发散指数:VOUT(t)=VIN×2(t/10ms+1)。由此,增益是2(t/10ms+1)。放大控制位的1ms时间分辨率提供1.07:1=0.6 dB=33步/十进增益编程分辨率。图4显示自跟踪/放大逻辑转变开始后的电压增益与时间的关系。
与单片电路PGA不同,DENT使用分离元件,如运算放大器和开关,所以它可以很容易地通过选择适当的器件和电源纳入参数,如I/O电压跨度(负输入和10V放大器)。指数生成计时的准确性和可重复性、ADC采样和RC时间常数的稳定性限定了放大器在增益编程准确性和抖动方面的实际性能。在示例电路中,当T=14.4ms时,1ns的放大器计时错误或抖动相当于0.007%的增益编程错误。 值得庆幸的是,常见的微控制器和数据采集设备几乎都配备有可编程定时器/计数器硬件,这通常使精确可重复的放大/跟踪控制的数字生成变得轻而易举。
在模拟方面,可能存在保存增益设置准确性和降低RC组件高精度要求的自校准算法,但它们已经超出了本设计实例的讨论范围。
许多现代功率MOSFET在5V 时达到导通电阻的低值,甚至在栅极到源极电压为5V的情况下也可达到。然而,对于大功率MOSFET,特别是绝缘栅极双极晶体管(IGBT),工程师更希望栅极到源极电压为12V~15V,因为这些电源开关的导通电阻在高栅极到源极电压情况下会进一步降低。例如,国际整流器公司(International Rectifier)的17A额定IRFR024功率MOSFET有一个0.075Ω的导通电阻(参考文献1)。当栅极到源极电压为12V时,该器件的导通电阻与栅极到源极电压为5V时的导通电阻相比,下降到其值的41%。当开关电流为10A时,该器件的功耗比栅极到源极电压为12V时的功耗少6W。
IC1是美国模拟器件公司(Analog Devices)推出的一款ADuM5230集成电路隔离式驱动器。它可以将5V的输入电压提高到足以驱动MOSFET导通电阻到一个低值的水平,最大限度地减少功耗(图1)。 但是,在低开关频率的情况下,IC的高端内部18V箝位消耗该集成电路从低端5V电源获得的能量(参考文献2)。
但是,ADuM5230的输出电压未经调节。 幸好,该集成电路的一个调节引脚可以用来控制设备内部脉宽调制器(PWM)的占空比,将占空比的值从1降至约0.1。当调节引脚为打开时,默认占空比的值为0.55。当调节引脚连接到5V电源时会出现占空比的最低值。