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)增益級在進行任何實際的數(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)的一種。VGA提供可變和連續(xù)增益控制,，而PGA必須在軟件控制下以固定步(通常6dB步)做到可變增益控制,。達到更精細的分辨步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)變計和超聲系統(tǒng),。雖然,，傳感器/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)中進行進一步處理(圖1),。
ADC之前處理傳感器/變換器信號的寬動態(tài)范圍" border="0" height="301" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100810/ca5c7eca-8310-43b1-ae53-bc91305b5a48.jpg" width="398" />
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,，低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/變送器輸出范圍到特定的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個量級或更大。
12位ADC接收小于ADC滿標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ADC之前用PGA放大,。PGA允許在軟件控制下使接收信號的增益達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緩沖來自前級(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,，PGA提供共模抑制。
在市場上可以得到很多種PGA和支持元件,。這包括可獨立應(yīng)用的運放被專門設(shè)計成PGA,、ASIC、集成有可編程濾波器的PGA,、儀表放大器PGA,、用于運放的數(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，快速建立時間,，高共模抑制比,，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Digit Trim技術(shù)的電阻調(diào)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4096的寬可編程動態(tài)范圍(增益精度0.1%),。它也有50mV/℃漂移和與增益無關(guān)的125dB CMRR,。
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(-76dBc 2次諧波和-69dBc 3次諧波)特性,，其差分輸出是為驅(qū)動高速ADC專門設(shè)計的,。
一些PGA供應(yīng)商也提供驅(qū)動PGA前端的數(shù)字電位計和分壓器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(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(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S-D ADC包含多路轉(zhuǎn)換器,、緩沖器、PGA,、電荷平衡電路,、串行接口和時鐘產(chǎn)生器。ADI公司的ADC7708/18S-D6位/24位ADC具有與AD7707相同的電路,，但它們的目標是低電壓和低功率應(yīng)用,。
一個感興趣的高集成度ADC是ADC7731 24位S-D器件。它具有ADC77017的所有電路,。另外,，還加上定標微控制器(圖3)。此IC的目標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,？不可回避的事實是高集成度是IC業(yè)的準則,，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(如時鐘引起的噪聲)和降低高分辨率器件的單個ADC價格,。
事實上，設(shè)計人員主要的目標是把傳感器/變送器電路放在高集成度ADC上,。這將是最終解決問題：現(xiàn)實世界模擬信號與計算機的數(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)計的兩種不同方法。