使用 PWM 在 96dB 范围内设置直流输入级增益/衰减

脉冲宽度调制 (PWM) 是实现中等性能（例如，8 位分辨率低速）数模转换的简单且廉价（因此很受欢迎！）的方法，但改进廉价的 DAC 并不是 PWM 可以做的事情。例如，图 1的电路说明了使用 PWM 以数字方式设置多功能、稳健、高 (1 MΩ) 输入阻抗、缓冲输出、直流输入级的模拟增益，~16 位 = 65280:1 = -48 dB至 +48 dB 衰减/增益范围。

图 1 PWM 控制放大器/衰减器直流输入级。

 它的工作原理如下：一个 1 MHz、8 位（T = 256 μs 周期）PWM 控制信号运行三个同步 HC4053 SPDT CMOS 开关，指定为 U1a、U1b 和 U1c。其占空比 = G/T = 0.4% 至 99.6%，因为 G = 1 至 255 μs。

U1b 充当可编程输入衰减器，通过将I = Vin/R1输入电流交替引导至接地或运算放大器 A1 的求和点，创建一个输入比例因子Vin/R1(G/T)，该因子在接近零、Vin/ R1/256 (G = 1 μs)，接近一致，Vin/R1/255/256（G = 255 微秒）。此外，由于通过电流控制在 U1 引脚 15 处保持接近零的求和点电位，因此适应的 Vin 电压范围非常宽——主要受限于 R1 的轴向耐压能力，对于 ? W 轴向引线 1，该能力通常为 200 V MΩ电阻。同时，U1b 开关元件保持的毫伏范围信号电平（比数据表测试条件小几个数量级）将与开关相关的漏电流降低至 << 1 nA；因此，尽管 R1 为兆欧，但仍可将与泄漏相关的失调电压降至可忽略不计的水平。

同时，U1a 正致力于通过R2 选择性地将电流反馈从 A1 的输出引导到其求和点，可编程系数为(1 – G/T)，从而产生净 V/I 增益

–R2/ (1 – G/T)，同时在 U1a 的开关上保持类似的泄漏化毫伏电压差。

净效应使 A1 的电压增益= -(R2/R1)(G/T)/(1 – G/T) = -(G/T)/(1 – G/T)。

 由于 G 在 1 μs 到 255 μs 之间变化，因此表示为 – (1/256)/(1 – 1/256)到-(255/256)/(1 – 255/256) = -1/255 到 -256 = 96 dB增益范围，但是那个讨厌的减号和臭名昭著的 PWM 纹波呢？

信号反转和纹波抑制均由 U1c 和 A2 实现的采样和保持功能执行，从而产生终的无纹波：Vout/Vin = (G/T)/(1 – GT)。

正 (Vdd) 和负 (Vee) 电源轨不重要且对噪声不敏感，但理想情况下应至少大致对称，通常分别为 +5 V 和 -5 V。总电流消耗小于 2 mA。C1和C3都应该是低泄漏类型，建议使用聚苯乙烯。对输入或增益设置阶跃的响应时间在某种程度上取决于增益，但通常约为 2 毫秒。请注意，R1C1 时间常数约为 4T = 1 ms。两者都不是您所谓的闪电般快速，但我们毕竟在谈论 PWM！