运行中可编程的增益控制

     24位的测量分辨率能为你解决什么问题？答案是有非常多的应用。可从宽动态范围获益的应用涵盖热电偶放大器、电子秤、光传感器、医疗图像的激光功率调整 、应变计放大器，以及其它多量程、高分辨率的数据采集系统。
    
     D-S(增量累加)调制技术使我们拥有的位数比曾经想象的还要多。然而， 无论ADC是一个内嵌在微控制器中的简单8位转换器，或24位精密D-S转换器，还是一个高速逐次渐进式(SAR)，归根结蒂还是如何使这些位数有效发挥的问题?
    
     当输入信号的 SNR 达到最高，即信号在不超出电源轨电压而达到可能的最大值时，ADC 能提供最精确的数字输出。但当传感器输出的变化达到几个数量级或在许多数据采集系统中你不知道用户将使用何种信号连到该系统的情况下，如何使电压摆幅量最大化呢？
    
    
    
    
     动态范围的实质
    
     在信号调理方面，最受关注的问题是使系统的动态范围最大化。然而，在分析信号路径时，动态范围(DR)这一术语经常被采用甚至滥用。相反，信噪比(SNR)是明确的采用相同方法和处于同样环境下测量出的信号与噪声电平之比。在一个可编程的增益放大器(PGA)中，放大器中的噪声和最大信号电平通常都会随增益设置的变化而改变。例如，在 LTC6911-x 双通道可编程增益放大器的最大输出信号是完全与增益无关。事实上，最大输入电平，以及换算到输入的噪声电平随增益的增加而下降。
    
     若要概括一个放大器的有用 信号范围，我们应将动态范围定义为最大输入信号电平(在单位增益时)与换算到输入端的最小噪声(在最大增益时)之比。这种DR的物理解释就是其 SNR 在单位V/V或0dB之上的信号电平范围。在10V的总电源下，LTC6911-x(增益为0V/V 至100V/V)的DR典型值120dB[标称的9.9VP-P或3.5VRMS(最大输入)与3.8mVRMS(高增益输入噪声)之比]。一个放大器的 SNR 是输入电平与换算到输入的噪声之比，LTC6911 系列产品在单位增益时的SNR可达到110dB。
    
     采用PGA可提高ADC的多种性能
    
     对于宽量程输入电平的数据采集系统而言，有用的 ADC 位数增加是采用运行中增益控制的PGA 的充分理由。其实，PGA 还具有一些容易被忽略潜在的优势：
    
     误差计算同样大大被简化。若采用分立元件的方法，估算整个量程内的增益误差和线性度会变得相当烦琐，更别说考虑温度变化了。对许多 PGA 而言，这些规范可以直接在数据表上获得。
    
     设计一个能容许输入信号广泛变化的放大器也会出现稳定性的问题。如果利用PGA，放大器的稳定性就有效地成为“内置”功能。
    
     实例：扩展ADC的动态范围
    
     图2 展示了一个宽入量程的紧凑型双通道数据采集系统。电路由一个LTC6911-x可编程放大器和一个LTC1865模数转换器(ADC)组成。这种纤巧的解决方案拥有16位分辨率和一个最高达 250ksps 的采样率。同样是运行在一个5V电源上，LTC6911-1 PGA将ADC的输入幅度扩展了 40dB。499W电阻器和 270pF电容器清楚地耦合在 LTC6911-x的 输出与LTC1865 开关电容器的输入之间。
    
     当换算到VIN时，ADC的噪声效应(无论是随机还是量化)与放大器的增益成反比。因此，电路能够获得一个比 5VP-P满标度时低40dB而SNR超过70dB的信号。仅靠一个ADC来实现这样的性能(在250ksps采样率时，可用动态范围为70+40=110dB)，即使做到，也是十分昂贵的。
    
     结语
    
     系统校准功能、控制环路和自动换档电路越来越转向数字化控制。PGA 采用简单的并行或工业标准串行接口(如SPI)将上述功能带入软件领域。因此，虽然“调节简便又无需牢记”的方法有可能引起硬核模拟设计者的怀疑，实际上，在越来越多的场合中它是可靠性更高同时重复性和制造性更好的电路。