具有負時(shí)間常數的DPGA條件信號

數字可編程增益放大器(DPGA)放大或減弱模擬信號，可最大限度地擴大模數轉換器(ADC)的動(dòng)態(tài)范圍。大多數單片DPGA都在運算放大器的反饋環(huán)路中使用了多路復用乘法數模轉換器(DAC)，如Maxim LTC6910和National Semiconductor LPM8100，以便DAC的輸入代碼可以設置放大器的閉環(huán)增益。不使用單片DPGA，而是使用兩個(gè)運算放大器和三個(gè)模擬開(kāi)關(guān)來(lái)構建基于負時(shí)間常數的DPGA。

無(wú)疑，工程師對e–t/RC 收斂指數非常熟悉，其中RC電路內的電容器以漸進(jìn)方式放電到零。對于輸入VIN，在t = T = loge(2)RC時(shí)V = VIN/2，在t = 2T時(shí)V = VIN /4，在t =3T時(shí)V = VIN /8，依此類(lèi)推。

當用一個(gè)合成負電阻的有源電路代替R時(shí)，工程師可能不太熟悉同一RC拓撲結構的特性，不過(guò)同樣簡(jiǎn)單。當用–R代替電阻R時(shí)，可以創(chuàng )建一個(gè)正RC時(shí)間常數。這樣就創(chuàng )建了一個(gè)發(fā)散指數VINe+t/RC。

該波形并非收斂為零，而是在理論上發(fā)散為無(wú)窮大，當t=T時(shí)V=2VIN，當t=2T時(shí)V=4VIN，當t=3T時(shí)V=8VIN，依此類(lèi)推。因此，在啟動(dòng)“負放電”之后只須等待適當的時(shí)間(t = log2(V/VIN)，就可放大VIN。發(fā)散指數和負時(shí)間常數是圖2中的電路的核心概念。

可用由微控制器或其他電路生成的脈沖寬度調制(PWM)信號對放大器增益進(jìn)行編程。當PWM信號到達邏輯0時(shí)，采樣保持電容器C1充電至VIN。當PWM信號循環(huán)到邏輯1時(shí)，運算放大器A1驅動(dòng)R1C1正反饋環(huán)路，創(chuàng )建一個(gè)負時(shí)間常數。

只要PWM信號保持在邏輯1，導致C1充電的發(fā)散指數的上升就會(huì )繼續。這將創(chuàng )建為VOUT(t) = VIN2(t/10?s + .5) 的凈電壓增益。因此，增益= 2(t/10?s + .5)，log(增益) = 3 + 0.6 dB/?s。在放大周期結束時(shí)，PWM返回到邏輯0，放大器A2捕捉并保持放大的VIN。

增益和時(shí)序之間的對數關(guān)系可提供卓越的增益分辨率，即使是在PWM信號只有8位分辨率，而且其可編程增益在寬范圍情況下，也優(yōu)于0.2 dB/LSB_step。

指數信號的時(shí)序精度和可重復性、ADC采樣、抖動(dòng)，以及RC時(shí)間常數穩定性都會(huì )限制放大器的增益編程精度。在圖2中，1 ns時(shí)序誤差或抖動(dòng)都會(huì )導致0.007%的增益編程誤差。幸運的是，微控制器和數據采集系統中幾乎普遍包括可編程的定時(shí)器/計數器硬件，這通常便于以數字方式生成可重復的PWM控制信號。