運(yùn)行中可編程的增益控制

2004年8月A版

　　24 位的測(cè)量分辨率能為你解決什么問(wèn)題？答案是有非常多的應(yīng)用。可從寬動(dòng)態(tài)范圍獲益的應(yīng)用涵蓋熱電偶放大器、電子秤、光傳感器、醫(yī)療圖像的激光功率調(diào)整 、應(yīng)變計(jì)放大器，以及其它多量程、高分辨率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　D-S(增量累加)調(diào)制技術(shù)使我們擁有的位數(shù)比曾經(jīng)想象的還要多。然而， 無(wú)論ADC是一個(gè)內(nèi)嵌在微控制器中的簡(jiǎn)單8位轉(zhuǎn)換器，或24位精密D-S轉(zhuǎn)換器，還是一個(gè)高速逐次漸進(jìn)式(SAR)，歸根結(jié)蒂還是如何使這些位數(shù)有效發(fā)揮的問(wèn)題?

　　當(dāng)輸入信號(hào)的 SNR 達(dá)到最高，即信號(hào)在不超出電源軌電壓而達(dá)到可能的最大值時(shí)，ADC 能提供最精確的數(shù)字輸出。但當(dāng)傳感器輸出的變化達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)或在許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中你不知道用戶(hù)將使用何種信號(hào)連到該系統(tǒng)的情況下，如何使電壓擺幅量最大化呢？

動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)質(zhì)

　　在信號(hào)調(diào)理方面，最受關(guān)注的問(wèn)題是使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍最大化。然而，在分析信號(hào)路徑時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍(DR)這一術(shù)語(yǔ)經(jīng)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(huán)境下測(cè)量出的信號(hào)與噪聲電平之比。在一個(gè)可編程的增益放大器(PGA)中，放大器中的噪聲和最大信號(hào)電平通常都會(huì)隨增益設(shè)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(hào)是完全與增益無(wú)關(guān)。事實(shí)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(gè)放大器的有用 信號(hào)范圍，我們應(yīng)將動(dòng)態(tài)范圍定義為最大輸入信號(hào)電平(在單位增益時(shí))與換算到輸入端的最小噪聲(在最大增益時(shí))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(hào)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(biāo)稱(chēng)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(gè)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(chǎn)品在單位增益時(shí)的SNR可達(dá)到110dB。

采用PGA可提高ADC的多種性能

　　對(duì)于寬量程輸入電平的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，有用的 ADC 位數(shù)增加是采用運(yùn)行中增益控制的PGA 的充分理由。其實(shí)，PGA 還具有一些容易被忽略潛在的優(yōu)勢(shì)：

　　誤差計(jì)算同樣大大被簡(jiǎn)化。若采用分立元件的方法，估算整個(gè)量程內(nèi)的增益誤差和線(xiàn)性度會(huì)變得相當(dāng)煩瑣，更別說(shuō)考慮溫度變化了。對(duì)許多 PGA 而言，這些規(guī)范可以直接在數(shù)據(jù)表上獲得。

　　設(shè)計(jì)一個(gè)能容許輸入信號(hào)廣泛變化的放大器也會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性的問(wèn)題。如果利用PGA，放大器的穩(wěn)定性就有效地成為“內(nèi)置”功能。

實(shí)例：擴(kuò)展ADC的動(dòng)態(tài)范圍

　　圖 2 展示了一個(gè)寬入量程的緊湊型雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電路由一個(gè)LTC6911-x可編程放大器和一個(gè)LTC1865模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。這種纖巧的解決方案擁有16位分辨率和一個(gè)最高達(dá) 250ksps 的采樣率。同樣是運(yùn)行在一個(gè)5V電源上，LTC6911-1 PGA將ADC的輸入幅度擴(kuò)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(kāi)關(guān)電容器的輸入之間。

　　當(dāng)換算到VIN時(shí)，ADC的噪聲效應(yīng)(無(wú)論是隨機(jī)還是量化)與放大器的增益成反比。因此，電路能夠獲得一個(gè)比 5VP-P滿(mǎn)標(biāo)度時(shí)低40dB而SNR超過(guò)70dB的信號(hào)。僅靠一個(gè)ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的性能(在250ksps采樣率時(shí)，可用動(dòng)態(tài)范圍為70+40=110dB)，即使做到，也是十分昂貴的。

結(jié)語(yǔ)

　　系統(tǒng)校準(zhǔn)功能、控制環(huán)路和自動(dòng)換檔電路越來(lái)越轉(zhuǎn)向數(shù)字化控制。PGA 采用簡(jiǎn)單的并行或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口(如SPI)將上述功能帶入軟件領(lǐng)域。因此，雖然“調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便又無(wú)需牢記”的方法有可能引起硬核模擬設(shè)計(jì)者的懷疑，實(shí)際上，在越來(lái)越多的場(chǎng)合中它是可靠性更高同時(shí)重復(fù)性和制造性更好的電路。