運行中可編程的增益控制

2004年8月A版

　　24 位的測量分辨率能為你解決什么問題？答案是有非常多的應用。可從寬動態范圍獲益的應用涵蓋熱電偶放大器、電子秤、光傳感器、醫療圖像的激光功率調整 、應變計放大器，以及其它多量程、高分辨率的數據采集系統。

　　D-S(增量累加)調制技術使我們擁有的位數比曾經想象的還要多。然而， 無論ADC是一個內嵌在微控制器中的簡單8位轉換器，或24位精密D-S轉換器，還是一個高速逐次漸進式(SAR)，歸根結蒂還是如何使這些位數有效發揮的問題?

　　當輸入信號的 SNR 達到最高，即信號在不超出電源軌電壓而達到可能的最大值時，ADC 能提供最精確的數字輸出。但當傳感器輸出的變化達到幾個數量級或在許多數據采集系統中你不知道用戶將使用何種信號連到該系統的情況下，如何使電壓擺幅量最大化呢？

動態范圍的實質

　　在信號調理方面，最受關注的問題是使系統的動態范圍最大化。然而，在分析信號路徑時，動態范圍(DR)這一術語經常被采用甚至濫用。相反，信噪比(SNR)是明確的采用相同方法和處于同樣環境下測量出的信號與噪聲電平之比。在一個可編程的增益放大器(PGA)中，放大器中的噪聲和最大信號電平通常都會隨增益設置的變化而改變。例如，在 LTC6911-x 雙通道可編程增益放大器的最大輸出信號是完全與增益無關。事實上，最大輸入電平，以及換算到輸入的噪聲電平隨增益的增加而下降。

　　若要概括一個放大器的有用 信號范圍，我們應將動態范圍定義為最大輸入信號電平(在單位增益時)與換算到輸入端的最小噪聲(在最大增益時)之比。這種DR的物理解釋就是其 SNR 在單位V/V或0dB之上的信號電平范圍。在10V的總電源下，LTC6911-x(增益為0V/V 至100V/V)的DR典型值120dB[標稱的9.9VP-P或3.5VRMS(最大輸入)與3.8mVRMS(高增益輸入噪聲)之比]。一個放大器的 SNR 是輸入電平與換算到輸入的噪聲之比，LTC6911 系列產品在單位增益時的SNR可達到110dB。

采用PGA可提高ADC的多種性能

　　對于寬量程輸入電平的數據采集系統而言，有用的 ADC 位數增加是采用運行中增益控制的PGA 的充分理由。其實，PGA 還具有一些容易被忽略潛在的優勢：

　　誤差計算同樣大大被簡化。若采用分立元件的方法，估算整個量程內的增益誤差和線性度會變得相當煩瑣，更別說考慮溫度變化了。對許多 PGA 而言，這些規范可以直接在數據表上獲得。

　　設計一個能容許輸入信號廣泛變化的放大器也會出現穩定性的問題。如果利用PGA，放大器的穩定性就有效地成為“內置”功能。

實例：擴展ADC的動態范圍

　　圖 2 展示了一個寬入量程的緊湊型雙通道數據采集系統。電路由一個LTC6911-x可編程放大器和一個LTC1865模數轉換器(ADC)組成。這種纖巧的解決方案擁有16位分辨率和一個最高達 250ksps 的采樣率。同樣是運行在一個5V電源上，LTC6911-1 PGA將ADC的輸入幅度擴展了 40dB。499W電阻器和 270pF電容器清楚地耦合在 LTC6911-x的 輸出與LTC1865 開關電容器的輸入之間。

　　當換算到VIN時，ADC的噪聲效應(無論是隨機還是量化)與放大器的增益成反比。因此，電路能夠獲得一個比 5VP-P滿標度時低40dB而SNR超過70dB的信號。僅靠一個ADC來實現這樣的性能(在250ksps采樣率時，可用動態范圍為70+40=110dB)，即使做到，也是十分昂貴的。

結語

　　系統校準功能、控制環路和自動換檔電路越來越轉向數字化控制。PGA 采用簡單的并行或工業標準串行接口(如SPI)將上述功能帶入軟件領域。因此，雖然“調節簡便又無需牢記”的方法有可能引起硬核模擬設計者的懷疑，實際上，在越來越多的場合中它是可靠性更高同時重復性和制造性更好的電路。