程控增益放大器的幾種通用設計方法

任曉琨 王皎

摘 要：在A/D測量范圍調整，信號測量等應用領域，當外部輸入信號范圍很寬，量程過大時，需要通過可變增益的放大器電路將處理后的信號幅度置于后端采集電路的最佳工作區間內。本文介紹了工程應用中幾種通用的程控增益放大器電路的設計方法，通過對比分析給出每種方法的最優應用情景。

關鍵詞：程控增益;放大器電路;模擬信號處理;VGA

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：B

程控增益放大器指可以通過軟件程序改變增益的放大器，它能自動適應大范圍變化的模擬信號，針對被測信號的大小來調節放大器的增益，將不同幅度的模擬信號放大到某個特定范圍來保證后端電路工作在最佳區間。目前，可變增益放大器在自動測控、智能測控、智能儀器儀表等領域的應用越來越廣泛。

1 模擬開關和電阻網絡法

實現放大器增益可調的最直接方法是改變反饋通路中的反饋電阻的阻值。通過4路單刀單擲模擬開關和電阻網絡構成的程控增益反相放大器。增益檔位和分辨率取決于電阻增益網絡和輸入電阻的比例關系。通過多路模擬開關控制多個增益電阻的并聯關系，改變反饋通路上的并聯總電阻值，實現增益的調節。如果需要更多的增益檔位和更高的分辨率，可以繼續通過添加電阻網絡來構建。

模擬開關和電阻網絡法的優點是：（1）構建形式靈活;（2）對進口元器件依賴度低，適用于對元器件國產化率高的應用環境。

模擬開關和電阻網絡法的缺點是：（1）增益調節范圍較窄;（2）增益調節的分辨率較低;（3）由于模擬開關的導通電阻影響，增益調節的精度不高;（4）在輸入交流信號時，模擬開關不同通道間漏電流及寄生電容的影響會對信號產生一定影響。

2 數字電位器法

數字電位器（RDAC）是一種具有數字接口的有源器件，可以很方便地用微控制器接口控制，用來精確調整其阻值。它具有耐沖擊、抗振動、噪音小、使用壽命長等優點，可以代替電路中的機械電位器，實現了操作上的智能化，在自動測控系統和智能儀器中得到廣泛的應用。[1]

以Maxim公司的MAX5422為例，該數字電位器芯片具有50kΩ的端到端電阻，具有256個tap點，可調電阻的分辨率為195.3125Ω。主控單元可通過3線制SPI串行總線接口對電阻進行調節，并可通過芯片內部的非易失存儲單元對上電時的初始化電阻值進行設置和存儲。

數字電位器法構成程控增益放大器的優點是：（1）電路構成形式簡單;（2）增益調整的分辨率較高;（3）通常具備數字通訊接口便于程控調節。

數字電位器法構成程控增益放大器的缺點是：（1）數字電位器的端到端電阻溫漂系數大，以MAX5422為例，其端到端的電阻范圍為37.5kΩ-62.5kΩ，因此在選用數字電位器芯片時，應避開其端到端電阻的下限并留有余量;（2）數字電位器的抽頭端wiper電阻較大并隨環境變化，MAX5422的wiper電阻在325Ω-675Ω范圍內浮動，由于wiper電阻也是串接在反饋通路中，因此增益調節的精度會受到影響;（3）數字電位器芯片的帶寬很有限，在交流信號放大電路中應用需注意帶寬是否滿足要求，一般數字電位器芯片的帶寬在10kHz～100kHz之間。

3 集成程控增益放大器芯片法

目前最簡單最直接的設計方法是直接采用集成程控增益放大器芯片來進行設計。目前主流模擬芯片設計廠商均推出了程控增益放大器芯片。

以ADI公司的經典芯片AD603為例，AD603輸入衰減器由7組R-2R梯形網絡組成，信號從精密無源梯形網絡的輸入端（VINP）輸入，控制梯形網絡的“滑動觸點”至相應的“節點”處，選擇衰減量。其主要特性為：（1）線性增益控制;（2）增益變化范圍可通過引腳編程，90MHz帶寬下增益變化范圍為-11dB～+31dB，9MHz帶寬下增益變化范圍為-9dB～+51dB;（3）典型的增益調整精度為±0.5dB。[2]

運用程控放大器集成芯片的優點是：（1）低噪聲、高頻帶寬度、穩定性能好;（2）增益可通過程序線性控制，控制方法簡單易用;（3）增益變化范圍大，可適用于大范圍信號處理。

運用程控放大器集成芯片的缺點是：程控增益芯片對輸入信號的幅值范圍要求嚴苛，前級必須經過一定處理后才能輸入程控放大器。

4 小結

通過對程控增益放大的幾種設計方法的功能和優缺點分析，模擬開關和電阻網絡法適用于對增益調節分辨率要求不高，對帶寬要求不高但對增益輸出精度有一定要求的場合。數字電位器法適用于對增益調整分辨率有一定要求，對帶寬和增益精度要求不高的場合。集成程控增益放大器芯片法在各項功能和性能指標方面有良好表現，但需要對輸入信號進行一定的前序處理。

參考文獻：

[1]劉晨霞，傅雨田.基于數字電位器AD8402的程控增益系統.科學技術與工程，2007，7-1：1458-1461.

[2]杜月林，蔣雪飛，梅明濤，陳自龍.基于AD603程控增益大功率寬帶直流放大器的設計.國外電子測量技術，2010，29-11：47-50.