引言

    在一些應(yīng)用中，需要對高動態(tài)范圍的信號進(jìn)行數(shù)字化,。一種常見的數(shù)字化方法是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）前面添加一個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均以一個或者多個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,，它通常會消耗更多的功率。

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

.    解決方案成本低且易于設(shè)計,。

.       可以數(shù)字方式控制和校正增益。

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

.      可以外部控制零電位電壓基準(zhǔn),。單電源電路時,，零電位通常設(shè)置為V_REF/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前面添加一個積分電路。該積分電路可由信號f_RES (1 = 積分電路重置)重置,。ADC由信號f_SH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”：積分電路重置信號被釋放,，積分電路開始求積分。

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

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

圖2 增益=1的單A/D周期

   積分階段的持續(xù)時間長短決定PGA的增益,，因?yàn)槠漭斎攵松系碾妷河绊懢€性斜線：積分時間翻倍,，增益翻倍,。圖3說明了這種影響情況。積分時間翻倍,，電壓V_SH也翻倍,。

圖3 PGA增益=2的單A/D周期

   這種積分方法的一個重要好處是，積分期間對輸入信號求平均,，其降低了來自輸入信號V_IN的帶外噪聲,。濾波器的脈沖響應(yīng)持續(xù)時間有限，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單運(yùn)算放大器（圖4）,。利用開關(guān)組件S，通過讓電容器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V_COM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V_REF/2，其中V_REF為ADC的基準(zhǔn)電壓,。當(dāng)電容器放電時,，積分電路被設(shè)置為該電壓值。通常,，V_COM信號可以任何方式出現(xiàn)在系統(tǒng)中,。它常常被用作單電源模擬信號鏈的一個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V_IN被放大至約原來的8倍,。由于積分電路的反相動作,，紅色信號被反相為綠色。

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間來達(dá)到增益G,，并且不超出積分期間的持續(xù)時間t,。G和t的依賴關(guān)系可以計算如下：

    開關(guān)（S）的關(guān)閉時間（積分電路重置時間）取決于開關(guān)的阻抗和電容器（C）的值。

校正

   R和C的容差帶來增益因數(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)帶來的容差非常小（不超過1%每年）,。

   通過把已知電壓應(yīng)用于輸入端,，然后根據(jù)預(yù)計和實(shí)際值計算偏差和增益的校正值，我們可以用與使用標(biāo)準(zhǔn)ADC時一樣的方法來對此處的增益和偏差進(jìn)行校正,。我們可以對應(yīng)用中使用的每一個增益因數(shù)進(jìn)行這種校正,。

電路改進(jìn)

僅把PGA用作一個低通濾波器（增益=1）

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

圖6 PGA電路僅用作一個濾波器（增益=1）

非反相積分

   圖4所示電路使用了一個反相積分電路。當(dāng)這種反相不可接受時,，可以在積分電路前面添加一個單電源反相緩沖器,，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讓這種解決方案難以實(shí)現(xiàn),。