程控增益放大器的几种通用设计方法
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摘 要：在A/D测量范围调整，信号测量等应用领域，当外部输入信号范围很宽，量程过大时，需要通过可变增益的放大器电路将处理后的信号幅度置于后端采集电路的最佳工作区间内。本文介绍了工程应用中几种通用的程控增益放大器电路的设计方法，通过对比分析给出每种方法的最优应用情景。
关键词：程控增益;放大器电路;模拟信号处理;VGA
中图分类号：TP23 文献标识码：B
程控增益放大器指可以通过软件程序改变增益的放大器，它能自动适应大范围变化的模拟信号，针对被测信号的大小来调节放大器的增益，将不同幅度的模拟信号放大到某个特定范围来保证后端电路工作在最佳区间。目前，可变增益放大器在自动测控、智能测控、智能仪器仪表等领域的应用越来越广泛。
1 模拟开关和电阻网络法
实现放大器增益可調的最直接方法是改变反馈通路中的反馈电阻的阻值。通过4路单刀单掷模拟开关和电阻网络构成的程控增益反相放大器。增益档位和分辨率取决于电阻增益网络和输入电阻的比例关系。通过多路模拟开关控制多个增益电阻的并联关系，改变反馈通路上的并联总电阻值，实现增益的调节。如果需要更多的增益档位和更高的分辨率，可以继续通过添加电阻网络来构建。
模拟开关和电阻网络法的优点是：（1）构建形式灵活;（2）对进口元器件依赖度低，适用于对元器件国产化率高的应用环境。
模拟开关和电阻网络法的缺点是：（1）增益调节范围较窄;（2）增益调节的分辨率较低;（3）由于模拟开关的导通电阻影响，增益调节的精度不高;（4）在输入交流信号时，模拟开关不同通道间漏电流及寄生电容的影响会对信号产生一定影响。
2 数字电位器法
数字电位器（RDAC）是一种具有数字接口的有源器件，可以很方便地用微控制器接口控制，用来精确调整其阻值。它具有耐冲击、抗振动、噪音小、使用寿命长等优点，可以代替电路中的机械电位器，实现了操作上的智能化，在自动测控系统和智能仪器中得到广泛的应用。[1]
以Maxim公司的MAX5422为例，该数字电位器芯片具有50kΩ的端到端电阻，具有256个tap点，可调电阻的分辨率为195.3125Ω。主控单元可通过3线制SPI串行总线接口对电阻进行调节，并可通过芯片内部的非易失存储单元对上电时的初始化电阻值进行设置和存储。
数字电位器法构成程控增益放大器的优点是：（1）电路构成形式简单;（2）增益调整的分辨率较高;（3）通常具备数字通讯接口便于程控调节。
数字电位器法构成程控增益放大器的缺点是：（1）数字电位器的端到端电阻温漂系数大，以MAX5422为例，其端到端的电阻范围为37.5kΩ-62.5kΩ，因此在选用数字电位器芯片时，应避开其端到端电阻的下限并留有余量;（2）数字电位器的抽头端wiper电阻较大并随环境变化，MAX5422的wiper电阻在325Ω-675Ω范围内浮动，由于wiper电阻也是串接在反馈通路中，因此增益调节的精度会受到影响;（3）数字电位器芯片的带宽很有限，在交流信号放大电路中应用需注意带宽是否满足要求，一般数字电位器芯片的带宽在10kHz～100kHz之间。
3 集成程控增益放大器芯片法
目前最简单最直接的设计方法是直接采用集成程控增益放大器芯片来进行设计。目前主流模拟芯片设计厂商均推出了程控增益放大器芯片。
以ADI公司的经典芯片AD603为例，AD603输入衰减器由7组R-2R梯形网络组成，信号从精密无源梯形网络的输入端（VINP）输入，控制梯形网络的“滑动触点”至相应的“节点”处，选择衰减量。其主要特性为：（1）线性增益控制;（2）增益变化范围可通过引脚编程，90MHz带宽下增益变化范围为-11dB～+31dB，9MHz带宽下增益变化范围为-9dB～+51dB;（3）典型的增益调整精度为±0.5dB。[2]
运用程控放大器集成芯片的优点是：（1）低噪声、高频带宽度、稳定性能好;（2）增益可通过程序线性控制，控制方法简单易用;（3）增益变化范围大，可适用于大范围信号处理。
运用程控放大器集成芯片的缺点是：程控增益芯片对输入信号的幅值范围要求严苛，前级必须经过一定处理后才能输入程控放大器。
4 小结
通过对程控增益放大的几种设计方法的功能和优缺点分析，模拟开关和电阻网络法适用于对增益调节分辨率要求不高，对带宽要求不高但对增益输出精度有一定要求的场合。数字电位器法适用于对增益调整分辨率有一定要求，对带宽和增益精度要求不高的场合。集成程控增益放大器芯片法在各项功能和性能指标方面有良好表现，但需要对输入信号进行一定的前序处理。
参考文献：
[1]刘晨霞，傅雨田.基于数字电位器AD8402的程控增益系统.科学技术与工程，2007，7-1：1458-1461.
[2]杜月林，蒋雪飞，梅明涛，陈自龙.基于AD603程控增益大功率宽带直流放大器的设计.国外电子测量技术，2010，29-11：47-50.
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