模/數(shù)接口中的可編程增益放大器

用可編程增益放大器（PGA）處理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中傳感器/變送器模擬輸出和信號處理數(shù)字世界之間的接口。單片和高集成度PGA現(xiàn)在被可編程、更高精度、更高吞吐量和更小封裝尺寸的模塊和混合方案替代。
由于來自傳感器/變送器的模擬信號的本性，使其工作必須具備相當(dāng)大的動態(tài)范圍。這要求采用連續(xù)增益級在進(jìn)行任何實(shí)際的數(shù)字處理之前增大這些信號，PGA能滿足這種要求。
PGA是可變增益放大器（VGA）的子集。VGA提供可變和連續(xù)增益控制，而PGA必須在軟件控制下以因定步（通常6dB步）做到可變增益控制。達(dá)到更精細(xì)的分辨步0.5dB是可能的。
一般多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用很多不同類型的傳感器/變送器，這包括熱電偶、惠斯登電橋，熱敏電阻、應(yīng)變計(jì)和超聲系統(tǒng)。雖然，使感器/變送器是基于不同的物理原理，但大多數(shù)產(chǎn)品是以電壓做為輸出。甚至這會產(chǎn)生中間值（如電容或電阻），但最終變換為電壓，以便在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步處理（圖1）。
傳感器/變送器的輸出可覆蓋非常大的范圍，需要PGA來處理傳感器/變送器輸出到ADC的接口。例如，在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，抵頻信號可以幾毫伏到幾伏變化。需要PGA來匹配這種寬傳感器/變送器輸出范圍到末門的ADC輸入范圍。通常，在輸入數(shù)據(jù)采集通道最低信號電平與最高信號電平之比是2個(gè)量級或更大。另外，后面ADC的分辨率將不被完全利用。
12位ADC接收小于ADC滿標(biāo)輸入十分之一的信號僅可提供8位分辨率，除非在信號到達(dá)ADC之前用PGA放大它。PGA允許在軟件控制下使接收信號的增益達(dá)到寬范圍增益一帶寬乘積。這可避免鉗位并允許采用較便宜的ADC，如用12位ADC替代16位ADC。
PGA可做更多事情。PGA緩沖來自等級（通常是多路轉(zhuǎn)換器）ADC的輸入，防止多路轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通電阻所引起的加載。PGA也提供差分別單端的變換，大多數(shù)跟蹤和保持型ADC需要單輸入。把PGA連接到差分多路轉(zhuǎn)換器輸出時(shí)，PGA提供共模抑制。
在市場上可以得到很多種PGA和支持元件。這包括可獨(dú)立應(yīng)用的運(yùn)放被專門設(shè)計(jì)成PGA、ASIC、集成有可編程濾波器的PGA，儀表放大器PGA、用于運(yùn)放的數(shù)字電位器前端、PGA用數(shù)字可編程分壓器、ADC驅(qū)動器。有時(shí)把PGA和DAC集成在同一芯片上。
對于不需要信號寬動態(tài)范圍的應(yīng)用，PGA不是必須的。放大器可以直接接口傳感器/變送器到ADC。例如，Maxim的MAX1494儀表放大器適合于250V/V或更小增益范圍的應(yīng)用。
各種性能的PGA
對于特殊性能參量（如高增益穩(wěn)定性和高精度，低漂移，低失真，高輸出驅(qū)動電流，高轉(zhuǎn)換率，快速建立時(shí)間，高共模抑制比（CMRR），低功率和小尺寸）有很多PGA是最佳的。
Microchip公司的MCP6S2X家族PGA具有2、6和8通道輸入，包含多路轉(zhuǎn)換器并可通過串行外設(shè)接口（SPI）總線進(jìn)行增益控制和通道選擇。NS公司的LMH6718IC是雙PGA，具有高輸出（200mA）驅(qū)動信號。
高性能小封裝的PAG有ADI公司的AD8555，這是封裝在微型8引線SOIC中的數(shù)字可編程信號調(diào)理自動零放大器，它包含放大器，比較器，用于Digit Trim技術(shù)的電阻節(jié)分壓器和緩沖器。其500V/℃總輸入失調(diào)漂移是其他競爭產(chǎn)品的1/20。Linear公司的LTC6915A也是小封裝高性能PGA。此儀表放大器封裝為16引線SSOP或12引線DFN，可把它放置在最靠近傳感器/變送器的地方。它所占電路板面積是等效分立方案的1/6。零漂移特性具有高達(dá)4096的寬可編程動態(tài)范圍（增益精度0.1%）。它也有50μV/℃漂移和與增益無關(guān)的125dBCMRR。
對于低失真是主要考慮因素的應(yīng)用，可以選擇Intersil公司PGA緩沖器HFA11XX，其低失真電平低到-73dBC、噪聲電平低到7_9nV/√Hz。TI公司的THS7001/7002單/雙PGA采用Power PAD封裝，包含分離的低噪聲前置放大器和增益放大級。此器件可達(dá)到非常低的噪聲電平（低到1.7nV/√Hz）。
其他可注意的PGA包括ADI公司的AD628首款具有可編程增益的共模差分放大器，和Linear公司的LTC1564 PGA（除放大器外，它還具有8階軟件可編程抗混淆濾波器）。
PGA也集成有其他前端電路如Maxim公司的MAX14XX家族，這是包含PGA的信號調(diào)理ASIC。這種器件直接用于傳感器/變送器和ADC之間。Maxim公司的ADC驅(qū)動器MAX2055具有低失真（-76dBC2次諧波和-69dBc3次諧波）特性，其差分輸出是為驅(qū)動高速ADC專門設(shè)計(jì)的。
一些PGA供應(yīng)商也提供驅(qū)動PGA前端的數(shù)字電位計(jì)和分壓器IC。例如，Maxim公司的MAX5420/21數(shù)字可編程電壓分壓器；ADI公司的AD5321數(shù)字電位計(jì)（常用于可編程增益和衰減的非易失性存儲器）。
另外，Xicor也提供不少PGA器件，這些PGA器件對于執(zhí)行數(shù)字控制的電位計(jì)（DCP）是最佳的。
集成方案
現(xiàn)在，很多公司把PGA和其他信號調(diào)理電路直接集成在ADC芯片上。這種方法有利于所占空間更小，比分離PGA和ADC方案具有更好的性能。然而，其成本比較高，集成PGA在ADC上除靈活性較低外，還有較高的時(shí)鐘噪聲電平。
帶線化前端的Maxim公司的MAX1457（圖2）傳統(tǒng)器線性化IC就是其中一種，它包含12位ADC。ADI公司的ADC7707高精度信號調(diào)理16位∑—ΔADC包含多路轉(zhuǎn)換器、緩沖器、PGA、電荷平衡電路、串行接口和時(shí)鐘產(chǎn)生器。ADI公司的ADC7708/18∑—Δ6位/24位ADC具有與AD7707相同的電路，但它們的目標(biāo)是低電壓和低功率應(yīng)用。
一個(gè)感興趣的高集成度ADC是ADC773124位∑—Δ器件。它具有ADC77017的所有電路。另外，還加上定標(biāo)微控制器（圖3）。此IC的目標(biāo)是低噪聲高吞吐量應(yīng)用。Maxim公司也有帶集成PGA的雙6位ADC，它具有90Sample/s吞吐率、功耗僅550mW。
我們將會看到更多包含PGA和其他信號處理電路的ADC嗎？不可回避的事實(shí)是高集成度是IC業(yè)的準(zhǔn)則，而PGA和其他信號調(diào)理支持電路也不例外。所以希望看到PGA與ADC集成在同一芯片，并能解決片上性能參量（如時(shí)鐘引起的噪聲）和降低高分辨率器件的單個(gè)ADC價(jià)格。
事實(shí)上，設(shè)計(jì)人員主要的目標(biāo)是把傳感器/變送器電路放在高集成度ADC上。這將是最終解決問題：現(xiàn)實(shí)世界模擬信號與計(jì)算機(jī)的數(shù)字世界結(jié)合起來的途經(jīng)。這也將聚焦在模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)的兩種不同方法。
圖1 在典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，PGA在ADC之前處理傳感器/變送器信號的寬動態(tài)范圍
圖2 包含PGA和16位ADC的MAX1457信號調(diào)理IC
圖3 ADI公司的低噪聲高吞吐量24位∑—ΔADC包含PGA和ADC。構(gòu)成過程控制應(yīng)用的完整。
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