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(wèn)題？答案是有非常多的應用?？蓮膶拕?dòng)態(tài)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(shù)使我們擁有的位數比曾經(jīng)想象的還要多。然而， 無(wú)論ADC是一個(gè)內嵌在微控制器中的簡(jiǎn)單8位轉換器，或24位精密D-S轉換器，還是一個(gè)高速逐次漸進(jìn)式(SAR)，歸根結蒂還是如何使這些位數有效發(fā)揮的問(wèn)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(shí)，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(gè)數量級或在許多數據采集系統中你不知道用戶(hù)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(dòng)態(tài)范圍的實(shí)質(zhì)

　　在信號調理方面，最受關(guān)注的問(wèn)題是使系統的動(dòng)態(tài)范圍最大化。然而，在分析信號路徑時(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)境下測量出的信號與噪聲電平之比。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電平通常都會(huì )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(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 信號范圍，我們應將動(dòng)態(tài)范圍定義為最大輸入信號電平(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(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(shí)，PGA 還具有一些容易被忽略潛在的優(yōu)勢：

　　誤差計算同樣大大被簡(jiǎn)化。若采用分立元件的方法，估算整個(gè)量程內的增益誤差和線(xiàn)性度會(huì )變得相當煩瑣，更別說(shuō)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(gè)能容許輸入信號廣泛變化的放大器也會(huì )出現穩定性的問(wèn)題。如果利用PGA，放大器的穩定性就有效地成為“內置”功能。

實(shí)例：擴展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據采集系統。電路由一個(gè)LTC6911-x可編程放大器和一個(gè)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(gè)最高達 250ksps 的采樣率。同樣是運行在一個(gè)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(kāi)關(guān)電容器的輸入之間。

　　當換算到VIN時(shí)，ADC的噪聲效應(無(wú)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(gè)比 5VP-P滿(mǎn)標度時(shí)低40dB而SNR超過(guò)70dB的信號。僅靠一個(gè)ADC來(lái)實(shí)現這樣的性能(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。

結語(yǔ)

　　系統校準功能、控制環(huán)路和自動(dòng)換檔電路越來(lái)越轉向數字化控制。PGA 采用簡(jiǎn)單的并行或工業(yè)標準串行接口(如SPI)將上述功能帶入軟件領(lǐng)域。因此，雖然“調節簡(jiǎn)便又無(wú)需牢記”的方法有可能引起硬核模擬設計者的懷疑，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)重復性和制造性更好的電路。