可編程增益放大器

隨着計算機的應用，為了減少硬件設備，可以使用可編程增益放大器（PGA:Programmable Gain Amplifier)。它是一種通用性很強的放大器，其放大倍數可以根據需要用程序進行控制。採用這種放大器，可通過程序調節放大倍數，使A/D轉換器滿量程信號達到均一化，因而大大提高測量精度。所謂量程自動轉換就是根據需要對所處理的信號利用可編程增益放大器進行倍數的自動調節，以滿足後續電路和系統的要求。 可編程增益放大器有兩種——組合PGA和集成PGA。

可編程增益放大器含全平衡差動放大器模塊、譯碼器模塊和電阻開關陣列模塊，全平衡差動放大器模塊中的負反饋電阻分壓器的電阻比確定該放大器的最大增益，通過譯碼器模塊的譯碼結果控制電阻開關陣列模塊衰減輸入信號的衰減量，最終實現該放大器的增益的可編程。

電阻開關陣列模塊是兩個對稱的含模擬開關的電阻衰減網絡，它們的輸入電阻恆定，確保對前級形成恆定的負載效應。

可編程增益放大器具有以下優點：結構簡單；帶寬穩定；和輸入電阻恆定，對前級形成恆定的負載效應，在該放大器與前級之間不需增加緩衝電路來隔離。

組合PGA一般由運算放大器、儀器放大器或隔離型放電器再加上一些其他附加電路組成。其工作原理是通過程序調整多路轉換開關接通的反饋電阻的數值，從而調整放大器的放大倍數。

常用的儀用測量放大器採用兩級放大電路，第一級採用同向並聯差動放大器，第二級加了一級基本差動放大器，從而構成儀用放大器。該電路的最大優點是輸入阻抗高，共模抑制能力強，增益調節方便，並由於結構對稱，矢調電壓及温度漂移小，故在傳感器微弱信號放大系統中得到廣泛應用。

專門設計的可編程增益放大器電路即集成PGA。集成PGA電路的種類很多，如美國微芯Microchip公司生產的MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28系列，美國模擬儀器公司Analog Devices生產的AD8321等，都屬於可編程增益放大器。下面是以MCP6S系列PGA為例説明這種電路的原理及應用，其他於此類似。

MCP6S系列是一種單端、可級聯、增益可編程放大器，MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28分別是1路、2路、6路、8路可編程增益放大器，其主要特點如下：

·8種可編程增益選擇：+1、+2、+4、+5、+8、+10、+16或+32；

·SPI串行編程接口；

·級聯輸入和輸出；

·低增益誤差，最大正負百分之一；

·低漂移，最大正負275uv；

·低電源電流，典型值為1mA;

·單電源供電，2.5V~5.5V。

可編程增益放大電路可對模擬信號進行放大、轉換、濾波，並能把器件中的多個功能模塊互聯，對電路進行重構，還可調整電路的增益、帶寬和閾值。對於可變增益放大器，若增益高，則失調電壓大，因此需要對運放進行準確調零，尤其要注意Al的輸出。在RFB端串聯電位器RP2進行增益的校準。運放A2由於負反饋可變，設定增益越大，閉環頻率響應越壞。需要選用增益可變範圍窄或開環頻率特性好的運放。對於小功率或精密運放，因為犧牲了交流特性，所以當輸入幾千赫茲以上的信號時應予以注意。

以基於VCA822的可編程增益放大器為例，其設計及工作原理如下：

設計一個通過鍵盤設置增益，且具有AGC功能的寬帶放大器。放大器輸入端採用同相放大電路進行阻抗匹配，使輸入電阻達到MΩ數量級。該系統設計分為寬帶放大、峯值採樣、人機交互等3個模塊。

寬帶放大模塊中電壓增益可預置的功能是由VCA822實現。VCA822一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，最大工作頻帶寬度可達150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定。控制電壓的輸出是由單片機運算並控制D/A轉換器而輸出的，因而能夠實現較精確的數控。另外，放大器後級接入兩檔信號處理電路，一檔增益0 dB，另一檔為衰減檔，通過一個控制端口，實現信號在這兩檔位之間選擇。這種方法的優點在於條理清晰，控制方便，易於單片機處理。

針對峯值採樣，採用數字檢波，即通過高速A/D轉換器對輸出的正弦信號進行採樣，判斷一定時間內採集到的數字信號的最大值，該最大值即為該信號的峯值。而這種通用數字峯值檢波電路僅能在低頻段效果良好，針對系統設計要求中的高頻信號，以及某些特定頻率信號，將產生一定誤差。採用雙頻數字峯檢對信號進行採樣，這種方案可有效避免產生誤差。

在上述兩模塊的基礎上實現AGC的功能。峯值檢波測得的電壓值反饋回單片機，單片機對寬帶放大電路實現放大精確控制。通過這種方式可將輸出信號的峯值穩定在4．8 V左右。

可編程增益放大器的性能參數可以根據D/A轉換器的相應參數換算得到，根據MAX502的性能指標其性能參數如下：

輸入失調電壓：<±1mV （未調整）

輸入失調温漂：±5μV/℃

增益誤差：<0.07%（未調整）

增益温度係數：<±1ppm/℃

單位增益帶寬：3MHz

壓擺率：5V/μs

輸出擺幅：±10V（2kΩ負載）

輸出電阻：0.2Ω

輸出噪聲電壓：25nV/ Hz

總諧波失真（THD）：-90dB