為ADC添加一個(gè)帶噪聲濾波器的數(shù)控PGA

引言

在一些應(yīng)用中，需要對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。一種常見(jiàn)的數(shù)字化方法是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)前面添加一個(gè)外部可編程增益放大器(PGA)。只有一少部分微控制器擁有內(nèi)部PGA。但是，現(xiàn)在的一些PGA均以一個(gè)或者多個(gè)輸入通道單芯片的方式出售。這類PGA增加了系統(tǒng)的成本，并且由于是一種固定增益解決方案，它通常會(huì)消耗更多的功率。

本文為您介紹如何利用一個(gè)單可重置積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)PGA，這種方法的好處是：

l 解決方案成本低且易于設(shè)計(jì)。

l 可以數(shù)字方式控制和校正增益。

l 使用低通濾波器減少信號(hào)噪聲，其在高噪聲的微控制器環(huán)境且用于小型模擬信號(hào)時(shí)特別有用。截止頻率隨選定采樣速率自動(dòng)調(diào)節(jié)。

l 可以外部控制零電位電壓基準(zhǔn)。單電源電路時(shí)，零電位通常設(shè)置為VREF/2，這種方法讓其更易于操作。

基本電路

圖1顯示了這種基本電路，其在ADC前面添加一個(gè)積分電路。該積分電路可由信號(hào)fRES (1 = 積分電路重置)重置。ADC由信號(hào)fSH控制，其連接至ADC的采樣保持(SH)單元(1=采樣，0=保持)。下降沿啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換周期。

圖 1 PGA 基本結(jié)構(gòu)圖

圖2顯示了圖1所示電路的單模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換周期。該周期被劃分為四個(gè)階段：

1、“積分電路重置階段”：重置積分電路為“0。”

2、“積分階段”：積分電路重置信號(hào)被釋放，積分電路開(kāi)始求積分。

3、“采樣階段”：ADC的采樣保持單元對(duì)積分電路輸出采樣，即VINT。

4、“A/D轉(zhuǎn)換階段”：采樣保持單元保持電壓，而ADC開(kāi)始轉(zhuǎn)換。

圖 2 增益=1的單A/D周期

積分階段的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短決定PGA的增益，因?yàn)槠漭斎攵松系碾妷河绊懢€性斜

線：積分時(shí)間翻倍，增益翻倍。圖3說(shuō)明了這種影響情況。積分時(shí)間翻倍，電壓

VSH也翻倍。

圖 3 PGA增益=2的單A/D周期

這種積分方法的一個(gè)重要好處是，積分期間對(duì)輸入信號(hào)求平均，其降低了來(lái)自輸入信號(hào)VIN的帶外噪聲。濾波器的脈沖響應(yīng)持續(xù)時(shí)間有限，其與數(shù)字FIR濾波器而非標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器的性能相當(dāng)。

PGA的實(shí)際配置

反相放大器可以有一個(gè)單運(yùn)算放大器(圖4)。利用開(kāi)關(guān)組件S，通過(guò)讓電容器C短路，可以重置積分電路。組件R和C均影響積分電路的增益。

圖 4 PGA 的實(shí)際配置

信號(hào)VCOM決定積分電路的零電位電壓并可進(jìn)行設(shè)置，例如，設(shè)置為VREF/2，其中VREF為ADC的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)電容器放電時(shí)，積分電路被設(shè)置為該電壓值。通常，VCOM信號(hào)可以任何方式出現(xiàn)在系統(tǒng)中。它常常被用作單電源模擬信號(hào)鏈的一個(gè)虛擬接地或者偏置電壓。

圖5顯示了圖4所示電路的SPICE仿真結(jié)果。藍(lán)色的點(diǎn)標(biāo)示了ADC的采樣矩。如圖所示，信號(hào)VIN被放大至約原來(lái)的8倍。由于積分電路的反相動(dòng)作，紅色信號(hào)被反相為綠色。

圖 5 圖 4 所示電路的SPICE仿真結(jié)果

工作原理

采樣速率、最大期望增益和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間影響R和C定義積分常量的選擇。如圖2和3所示，積分電路需要足夠的時(shí)間來(lái)達(dá)到增益G，并且不超出積分期間的持續(xù)時(shí)間t。G和t的依賴關(guān)系可以計(jì)算如下：

開(kāi)關(guān)(S)的關(guān)閉時(shí)間(積分電路重置時(shí)間)取決于開(kāi)關(guān)的阻抗和電容器(C)的值。

校正

R和C的容差帶來(lái)增益因數(shù)的改變。電容器應(yīng)有非常小的壓電效應(yīng)，以獲得非常線性的積分。電容器會(huì)有特別大的容差—例如：20%。這只是初始容差，其可以獲得一次校正。老化效應(yīng)帶來(lái)的容差非常小(不超過(guò)1%每年)。

通過(guò)把已知電壓應(yīng)用于輸入端，然后根據(jù)預(yù)計(jì)和實(shí)際值計(jì)算偏差和增益的校正值，我們可以用與使用標(biāo)準(zhǔn)ADC時(shí)一樣的方法來(lái)對(duì)此處的增益和偏差進(jìn)行校正。我們可以對(duì)應(yīng)用中使用的每一個(gè)增益因數(shù)進(jìn)行這種校正。

電路改進(jìn)

僅把PGA用作一個(gè)低通濾波器(增益=1)

如果不想要輸入信號(hào)放大，則可以把PGA電路僅用作一個(gè)噪聲濾波器。我們可以將積分電路常量設(shè)置為某個(gè)能夠獲得固定增益1的值。在這種情況下，積分階段會(huì)在采樣之后立即開(kāi)始，而保持階段會(huì)被設(shè)置為保持模式(圖6)。

圖 6 PGA電路僅用作一個(gè)濾波器(增益=1)

非反相積分

圖4所示電路使用了一個(gè)反相積分電路。當(dāng)這種反相不可接受時(shí)，可以在積分電路前面添加一個(gè)單電源反相緩沖器，從而讓非反相積分電路的使用成為可能。

結(jié)論

本文介紹了一種高成本效益且簡(jiǎn)單的方法，用于在一些成本和功率密集型應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)PGA功能。由于不再需要常常出現(xiàn)在ADC前面的外部濾波器，它的眾多濾波特點(diǎn)還降低了成本。但是，這種方法并不能代替所有的PGA，例如，高采樣速率或者超大增益變化就會(huì)讓這種解決方案難以實(shí)現(xiàn)。