程控增益放大器的幾種通用設(shè)計(jì)方法

任曉琨 王皎

摘 要：在A/D測量范圍調(diào)整，信號(hào)測量等應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)外部輸入信號(hào)范圍很寬，量程過大時(shí)，需要通過可變?cè)鲆娴姆糯笃麟娐穼⑻幚砗蟮男盘?hào)幅度置于后端采集電路的最佳工作區(qū)間內(nèi)。本文介紹了工程應(yīng)用中幾種通用的程控增益放大器電路的設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)比分析給出每種方法的最優(yōu)應(yīng)用情景。

關(guān)鍵詞：程控增益;放大器電路;模擬信號(hào)處理;VGA

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

程控增益放大器指可以通過軟件程序改變?cè)鲆娴姆糯笃鳎茏詣?dòng)適應(yīng)大范圍變化的模擬信號(hào)，針對(duì)被測信號(hào)的大小來調(diào)節(jié)放大器的增益，將不同幅度的模擬信號(hào)放大到某個(gè)特定范圍來保證后端電路工作在最佳區(qū)間。目前，可變?cè)鲆娣糯笃髟谧詣?dòng)測控、智能測控、智能儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

1 模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)法

實(shí)現(xiàn)放大器增益可調(diào)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(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)和輸入電阻的比例關(guān)系。通過多路模擬開關(guān)控制多個(gè)增益電阻的并聯(lián)關(guān)系，改變反饋通路上的并聯(lián)總電阻值，實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。如果需要更多的增益檔位和更高的分辨率，可以繼續(xù)通過添加電阻網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建。

模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）構(gòu)建形式靈活;（2）對(duì)進(jìn)口元器件依賴度低，適用于對(duì)元器件國產(chǎn)化率高的應(yīng)用環(huán)境。

模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)法的缺點(diǎn)是：（1）增益調(diào)節(jié)范圍較窄;（2）增益調(diào)節(jié)的分辨率較低;（3）由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻影響，增益調(diào)節(jié)的精度不高;（4）在輸入交流信號(hào)時(shí)，模擬開關(guān)不同通道間漏電流及寄生電容的影響會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定影響。

2 數(shù)字電位器法

數(shù)字電位器（RDAC）是一種具有數(shù)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(diào)整其阻值。它具有耐沖擊、抗振動(dòng)、噪音小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可以代替電路中的機(jī)械電位器，實(shí)現(xiàn)了操作上的智能化，在自動(dòng)測控系統(tǒng)和智能儀器中得到廣泛的應(yīng)用。[1]

以Maxim公司的MAX5422為例，該數(shù)字電位器芯片具有50kΩ的端到端電阻，具有256個(gè)tap點(diǎn)，可調(diào)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(duì)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可通過芯片內(nèi)部的非易失存儲(chǔ)單元對(duì)上電時(shí)的初始化電阻值進(jìn)行設(shè)置和存儲(chǔ)。

數(shù)字電位器法構(gòu)成程控增益放大器的優(yōu)點(diǎn)是：（1）電路構(gòu)成形式簡單;（2）增益調(diào)整的分辨率較高;（3）通常具備數(shù)字通訊接口便于程控調(diào)節(jié)。

數(shù)字電位器法構(gòu)成程控增益放大器的缺點(diǎn)是：（1）數(shù)字電位器的端到端電阻溫漂系數(shù)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(shù)字電位器芯片時(shí)，應(yīng)避開其端到端電阻的下限并留有余量;（2）數(shù)字電位器的抽頭端wiper電阻較大并隨環(huán)境變化，MAX5422的wiper電阻在325Ω-675Ω范圍內(nèi)浮動(dòng)，由于wiper電阻也是串接在反饋通路中，因此增益調(diào)節(jié)的精度會(huì)受到影響;（3）數(shù)字電位器芯片的帶寬很有限，在交流信號(hào)放大電路中應(yīng)用需注意帶寬是否滿足要求，一般數(shù)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(shè)計(jì)方法是直接采用集成程控增益放大器芯片來進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前主流模擬芯片設(shè)計(jì)廠商均推出了程控增益放大器芯片。

以ADI公司的經(jīng)典芯片AD603為例，AD603輸入衰減器由7組R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)組成，信號(hào)從精密無源梯形網(wǎng)絡(luò)的輸入端（VINP）輸入，控制梯形網(wǎng)絡(luò)的“滑動(dòng)觸點(diǎn)”至相應(yīng)的“節(jié)點(diǎn)”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(diào)整精度為±0.5dB。[2]

運(yùn)用程控放大器集成芯片的優(yōu)點(diǎn)是：（1）低噪聲、高頻帶寬度、穩(wěn)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(hào)處理。

運(yùn)用程控放大器集成芯片的缺點(diǎn)是：程控增益芯片對(duì)輸入信號(hào)的幅值范圍要求嚴(yán)苛，前級(jí)必須經(jīng)過一定處理后才能輸入程控放大器。

4 小結(jié)

通過對(duì)程控增益放大的幾種設(shè)計(jì)方法的功能和優(yōu)缺點(diǎn)分析，模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)法適用于對(duì)增益調(diào)節(jié)分辨率要求不高，對(duì)帶寬要求不高但對(duì)增益輸出精度有一定要求的場合。數(shù)字電位器法適用于對(duì)增益調(diào)整分辨率有一定要求，對(duì)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(xiàng)功能和性能指標(biāo)方面有良好表現(xiàn)，但需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一定的前序處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉晨霞，傅雨田.基于數(shù)字電位器AD8402的程控增益系統(tǒng).科學(xué)技術(shù)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(shè)計(jì).國外電子測量技術(shù)，2010，29-11：47-50.