用可編程增益放大器(PGA)處理數據采集系統中傳感器/變送器模擬輸出和信號處理數字之間的接口。單片和高集成度PGA現在被可編程、更高精度、更高吞吐量和更小封裝尺寸的模塊和混合方案替代。

由于來自傳感器/變送器的模擬信號的本性，使其工作必須具備相當大的動態范圍。這要求采用連續增益級在進行任何實際的數字處理之前增大這些信號，PGA能滿足這種要求。

PGA是可變增益放大器(VGA)的一種。VGA提供可變和連續增益控制，而PGA必須在軟件控制下以固定步(通常6dB步)做到可變增益控制。達到更精細的分辨步0.5dB是可能的。

一般多通道數據采集系統用很多不同類型的傳感器/變送器，這包括熱電偶、惠斯登電橋，熱敏電阻、應變計和超聲系統。雖然，傳感器/變送器是基于不同的物理原理，但大多數產品是以電壓做為輸出。甚至這會產生中間值(如電容或電阻)，但最終變換為電壓，以便在數據采集系統中進行進一步處理(圖1)。



傳感器/變送器的輸出可覆蓋非常大的范圍，需要PGA來處理傳感器/變送器輸出到ADC的接口。例如，在工業過程控制系統中，低頻信號可以幾毫伏到幾伏變化。需要PGA來匹配這種寬傳感器/變送器輸出范圍到特定的ADC輸入范圍。通常，在輸入數據采集通道最低信號電平與最高信號電平之比是2個量級或更大。

12位ADC接收小于ADC滿標輸入十分之一的信號僅可提供8位分辨率，除非在信號到達ADC之前用PGA放大。PGA允許在軟件控制下使接收信號的增益達到寬范圍增益一帶寬乘積。這可避免鉗位并允許采用較便宜的ADC，如用12位ADC替代16位ADC。

PGA可做更多事情。PGA緩沖來自前級(通常是多路轉換器)ADC的輸入，防止多路轉換器導通電阻所引起的加載。PGA也提供差分別單端的變換，大多數跟蹤和保持型ADC需要單輸入。把PGA連接到差分多路轉換器輸出時，PGA提供共模抑制。

在市場上可以得到很多種PGA和支持元件。這包括可獨立應用的運放被專門設計成PGA、ASIC、集成有可編程濾波器的PGA、儀表放大器PGA、用于運放的數字電位器前端、PGA用數字可編程分壓器、ADC驅動器。有時把PGA和DAC集成在同一芯片上。

對于不需要信號寬動態范圍的應用，PGA不是必須的。放大器可以直接接口傳感器/變送器到ADC。例如，Maxim的MAX1494儀表放大器適合于250V/V或更小增益范圍的應用。

各種性能的PGA

對于特殊性能參量(如高增益穩定性和高精度，低漂移，低失真，高輸出驅動電流，高轉換率，快速建立時間，高共模抑制比，低功率和小尺寸)有很多PGA是最佳的。

Microchip公司的MCP6S2X家族PGA具有2、6和8通道輸入，包含多路轉換器并可通過串行外設接口(SPI)總線進行增益控制和通道選擇。NS公司的LMH6718IC是雙PGA，具有高輸出(200mA)驅動信號。

高性能小封裝的PAG有ADI公司的AD8555，這是封裝在微型8引線SOIC中的數字可編程信號調理自動零放大器，它包含放大器，比較器，用Digit Trim技術的電阻調節分壓器和緩沖器。其500V/℃總輸入失調漂移是其他競爭產品的1/20。Linear公司的LTC6915A也是小封裝高性能PGA。此儀表放大器封裝為16引線SSOP或12引線DFN，可把它放置在最靠近傳感器/變送器的地方。它所占電路板面積是等效分立方案的1/6。零漂移特性具有高達4096的寬可編程動態范圍(增益精度0.1%)。它也有50mV/℃漂移和與增益無關的125dB CMRR。

對于低失真是主要考慮因素的應用，可以選擇Intersil公司PGA緩沖器HFA11XX，其低失真電平低到-73dBc、噪聲電平低到7"9nV/√Hz。TI公司的THS7001/7002單/雙PGA采用Power PAD封裝，包含分離的低噪聲前置放大器和增益放大級。此器件可達到非常低的噪聲電平(低到1.7nV/√Hz)。

其他可注意的PGA包括ADI公司的AD628首款具有可編程增益的共模差分放大器和Linear公司的LTC1564 PGA(除放大器外，它還具有8階軟件可編程抗混淆濾波器)。

PGA也集成有其他前端電路，如Maxim公司的MAX14XX家族，這是包含PGA的信號調理ASIC。這種器件直接用于傳感器/變送器和ADC之間。Maxim公司的ADC驅動器MAX2055具有低失真(-76dBc 2次諧波和-69dBc 3次諧波)特性，其差分輸出是為驅動高速ADC專門設計的。

一些PGA供應商也提供驅動PGA前端的數字電位計和分壓器IC。例如，Maxim公司的MAX5420/21數字可編程電壓分壓器；ADI公司的AD5321數字電位計(常用于可編程增益和衰減的非易失性存儲器)。

另外，Xicor也提供不少PGA器件，這些PGA器件對于執行數字控制的電位計(DCP)是最佳的。

集成方案

現在，很多公司把PGA和其他信號調理電路直接集成在ADC芯片上。這種方法有利于所占空間更小，比分離PGA和ADC方案具有更好現在，很多公司把PGA和其他信號調理電路直接集成在ADC芯片上。這種方法有利于所占空間更小，比分離PGA和ADC方案具有更好的性能。然而，其成本比較高，集成PGA在ADC上除靈活性較低外，還有較高的時鐘噪聲電平。

帶線化前端的Maxim公司的MAX1457(圖2)傳統器線性化IC就是其中一種，它包含12位ADC。ADI公司的ADC7707高精度信號調理16位S-D ADC包含多路轉換器、緩沖器、PGA、電荷平衡電路、串行接口和時鐘產生器。ADI公司的ADC7708/18S-D6位/24位ADC具有與AD7707相同的電路，但它們的目標是低電壓和低功率應用。


一個感興趣的高集成度ADC是ADC7731 24位S-D器件。它具有ADC77017的所有電路。另外，還加上定標微控制器(圖3)。此IC的目標是低噪聲高吞吐量應用。Maxim公司也有帶集成PGA的雙6位ADC，它具有90Sample/s吞吐率、功耗僅550mW。



我們將會看到更多包含PGA和其他信號處理電路的ADC嗎？不可回避的事實是高集成度是IC業的準則，而PGA和其他信號調理支持電路也不例外。所以希望看到PGA與ADC集成在同一芯片，并能解決片上性能參量(如時鐘引起的噪聲)和降低高分辨率器件的單個ADC價格。

事實上，設計人員主要的目標是把傳感器/變送器電路放在高集成度ADC上。這將是最終解決問題：現實世界模擬信號與計算機的數字世界結合起來的途經。這也將聚焦在模擬和數字電路設計的兩種不同方法。