可编程增益放大器

专门设计的可编程增益放大器电路即集成PGA。集成PGA电路的种类很多，如美国微芯Microchip公司生产的MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28系列，美国模拟仪器公司Analog Devices生产的AD8321等，都属于可编程增益放大器。下面是以MCP6S系列PGA为例说明这种电路的原理及应用，其他于此类似。

MCP6S系列是一种单端、可级联、增益可编程放大器，MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28分别是1路、2路、6路、8路可编程增益放大器，其主要特点如下:

·8种可编程增益选择:+1、+2、+4、+5、+8、+10、+16或+32;

·SPI串行编程接口;

·级联输入和输出;

·低增益误差，最大正负百分之一;

·低漂移，最大正负275uv;

·低电源电流，典型值为1mA;

·单电源供电，2.5V~5.5V。

<!--[编辑本段]-->

可编程增益放大电路可对模拟信号进行放大、转换、滤波，并能把器件中的多个功能模块互联，对电路进行重构，还可调整电路的增益、带宽和阈值。对于可变增益放大器，若增益高，则失调电压大，因此需要对运放进行准确调零，尤其要注意Al的输出。在RFB端串联电位器RP2进行增益的校准。运放A2由于负反馈可变，设定增益越大，闭环频率响应越坏。需要选用增益可变范围窄或开环频率特性好的运放。对于小功率或精密运放，因为牺牲了交流特性，所以当输入几千赫兹以上的信号时应予以注意。

<!--[编辑本段]-->

随着计算机的应用，为了减少硬件设备，可以使用可编程增益放大器(PGA:Programmable Gain Amplifier)。它是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。所谓量程自动转换就是根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行倍数的自动调节，以满足后续电路和系统的要求。 可编程增益放大器有两种--组合PGA和集成PGA。

可编程增益放大器含全平衡差动放大器模块、译码器模块和电阻开关阵列模块，全平衡差动放大器模块中的负反馈电阻分压器的电阻比确定该放大器的最大增益，通过译码器模块的译码结果控制电阻开关阵列模块衰减输入信号的衰减量，最终实现该放大器的增益的可编程。

电阻开关阵列模块是两个对称的含模拟开关的电阻衰减网络，它们的输入电阻恒定，确保对前级形成恒定的负载效应。

可编程增益放大器具有以下优点:结构简单;带宽稳定;和输入电阻恒定，对前级形成恒定的负载效应，在该放大器与前级之间不需增加缓冲电路来隔离。

组合PGA一般由运算放大器、仪器放大器或隔离型放电器再加上一些其他附加电路组成。其工作原理是通过程序调整多路转换开关接通的反馈电阻的数值，从而调整放大器的放大倍数。

常用的仪用测量放大器采用两级放大电路，第一级采用同向并联差动放大器，第二级加了一级基本差动放大器，从而构成仪用放大器。该电路的最大优点是输入阻抗高，共模抑制能力强，增益调节方便，并由于结构对称，矢调电压及温度漂移小，故在传感器微弱信号放大系统中得到广泛应用。

以基于VCA822的可编程增益放大器为例，其设计及工作原理如下:

设计一个通过键盘设置增益，且具有AGC功能的宽带放大器。放大器输入端采用同相放大电路进行阻抗匹配，使输入电阻达到MΩ数量级。该系统设计分为宽带放大、峰值采样、人机交互等3个模块。

宽带放大模块中电压增益可预置的功能是由VCA822实现。VCA822一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，最大工作频带宽度可达150 MHz。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定。控制电压的输出是由单片机运算并控制D/A转换器而输出的，因而能够实现较精确的数控。另外，放大器后级接入两档信号处理电路，一档增益0 dB，另一档为衰减档，通过一个控制端口，实现信号在这两档位之间选择。这种方法的优点在于条理清晰，控制方便，易于单片机处理。

针对峰值采样，采用数字检波，即通过高速A/D转换器对输出的正弦信号进行采样，判断一定时间内采集到的数字信号的最大值，该最大值即为该信号的峰值。而这种通用数字峰值检波电路仅能在低频段效果良好，针对系统设计要求中的高频信号，以及某些特定频率信号，将产生一定误差。采用双频数字峰检对信号进行采样，这种方案可有效避免产生误差。

在上述两模块的基础上实现AGC的功能。峰值检波测得的电压值反馈回单片机，单片机对宽带放大电路实现放大精确控制。通过这种方式可将输出信号的峰值稳定在4.8 V左右。

<!--[编辑本段]-->

可编程增益放大器的性能参数可以根据D/A转换器的相应参数换算得到，根据MAX502的性能指标其性能参数如下:

输入失调电压:<±1mV (未调整)

输入失调温漂:±5μV/℃

增益误差:<0.07%(未调整)

增益温度系数:<±1ppm/℃

单位增益带宽:3MHz

压摆率:5V/μs

输出摆幅:±10V(2kΩ负载)

输出电阻:0.2Ω

输出噪声电压:25nV/ Hz

总谐波失真(THD):-90dB

前级仪表放大器的输出经缓冲进入次级放大器，该级为可编程增益放大器PGA，放大后的信号经滤波处理具有最平坦的频响特性，滤波器为8阶低通滤波器，其可程控设置截止频率从10Hz到100KHz，次级滤波为二阶有源低通滤波，用于消除数字干扰，低通滤波的次级可选加带通滤波器，其下限截止频率采用拔动开关设定，低通和带通滤波器可通过程控接入或跳过。

零电平自校准

自校准解决方案实现模拟通道的零电平较准，消除不

同增益和滤波状态下的零点误差，这种校准由硬件自动完成，有关校准参数已在出厂前标定，并存入模块上的EEPROM中，用户在正常使用时不需专门操作该功能，如需要修改EEPROM中存放的校准参数，则需运行随产品提供的校准软件，完成校准参数的重设。

数字电位器一般带有总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。它适合构成各种可编程模拟器件，如可编程增益放大器、可编程滤波器、可编程线性稳压电源及音调/音量控制电路，真正实现了"把模拟器件放到总线上"(即单片机通过总线控制系统的模拟功能块)这一全新设计理念。

由于数字电位器可代替机械式电位器，所以二者在原理上有相似之处。数字电位器属于集成化的三端可变电阻器件其等效电路。当数字电位器用作分压器时，其高端、低端、滑动端分别用VH、VL、VW表示;而用作可调电阻器时，分别用RH、RL和RW表示。

数字电位器的数字控制部分包括加减计数器、译码电路、保存与恢复控制电路和不挥发存储器等4个数字电路模块。利用串入、并出的加/减计数器在输入脉冲和控制信号的控制下可实现加/减计数，计数器把累计的数据直接提供给译码电路控制开关阵列，同时也将数据传送给内部存储器保存。当外部计数脉冲信号停止或片选信号无效后，译码电路的输出端只有一个有效，于是只选择一个MOS管导通。

数字控制部分的存储器是一种掉电不挥发存储器，当电路掉电后再次上电时，数字电位器中仍保存着原有的控制数据，其中间抽头到两端点之间的电阻值仍是上一次的调整结果。因此，数字电位器与机械式电位器的使用效果基本相同。但是由于开关的工作采用"先连接后断开"的方式，所以在输入计数有效期间，数字电位器的电阻值与期望值可能会有一定的差别，只有在调整结束后才能达到期望值。

◆采用传感器原理生产，具有良好的线性、精度和温度稳定性。

◆采用软件实现功能，可以根据使用要求变化进行定制。

◆工作方式为非接触，避免传统电位器的磨损，寿命长，可靠性高。

◆由于取消了传统电位器中的电刷基片，有效行程达到360°，实现无盲区测量。

◆输出信号类型多(0-5V/0-10V/4-20mA/串行数字信号输出)，方便信号采集处理。

◆可以通过软件实现有效行程和输出信号的变化，满足各种特殊要求。

◆应用范围广，使用灵活。