LTC6910系列數(shù)字控制可編程增益放大器原理與應(yīng)用

    摘要：LTC6910-1、LTC6910-2和LTC6910-3是占用PCB空間非常小的低噪聲數(shù)字控制可編程增益放大器。它們可通過(guò)3位數(shù)字輸入來(lái)提供8種電壓增益以供選擇。文中簡(jiǎn)要介紹LTC6910的主要特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能和工作原理，給出LTC6910的實(shí)際應(yīng)用電路。

    關(guān)鍵詞：LTC6910-1/2/3 3位數(shù)字增益控制 PGA 滿擺幅輸入/輸出

1 概述

凌特公司（LTC）生產(chǎn)的LTC6910系列數(shù)字控制可編程增益放大器（PGA）單片IC是專門(mén)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、動(dòng)態(tài)增益變化、自動(dòng)測(cè)距電路和自動(dòng)增益控制等方面應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

LTC6910系列PGA共有3個(gè)型號(hào)，即LTC6910-1、LTC6910-2和LTC6910-3。這些電路的共同特性如下：

·采用3位數(shù)字控制和8引腳SOT-23封裝；

·電源電壓范圍為2.7V～10.5V，最大電源電流為3mA（典型值）；

·滿擺幅輸入/輸出（I/O），即輸入和輸出信號(hào)幅度幾乎等于電源（干線）電壓值，也就是人們常講的“軌對(duì)軌”。

3種PGA的8種電壓增益（V/V）、輸入噪聲、增益帶寬乘積（GBW）和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍并不完全相同，具體如表1所列。

表1 LTC6910-1/2/3參數(shù)比較

表2 LTC6910-1的增益設(shè)置與相關(guān)特性

下面僅以LTC6910-1為例，介紹其引腳功能、工作原理及應(yīng)用電路。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

LTC6910-1引腳排列如圖1所示，圖2為其內(nèi)部電路組成框圖。LTC6910-1的引腳功能如下：

OUT（腳1）：模擬輸出，這是內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸出端，其輸出擺幅接近電源（干線）電壓（V+和V-）。運(yùn)算放大器在任何時(shí)刻，包括零增益設(shè)置（數(shù)字輸入000）在內(nèi)，都是有源的。該腳輸出電流為10mA，可驅(qū)動(dòng)高達(dá)50pF容性負(fù)載。

    AGND（腳2）：模擬地，位于內(nèi)部電阻分壓器的中間點(diǎn)，同時(shí)又是內(nèi)部運(yùn)算放大器的非反相輸入端。

IN（腳3）：模擬輸入。輸入到放大器的信號(hào)是IN腳與AGND腳之間的電壓差。該腳在內(nèi)部連接到數(shù)字控制電阻，在單位增益（數(shù)字輸入001）上，其輸入電壓大約是10kΩ，輸入電壓范圍為V+到V-。增益設(shè)置超過(guò)1（數(shù)字輸入010或更高）時(shí)，輸入電阻器阻值下降。電壓增益為10或更高（數(shù)字輸入100或更大）時(shí)，輸入電阻將降至1kΩ左右。在“0”增益狀態(tài)（數(shù)字輸入000），IN腳的模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)該腳會(huì)呈現(xiàn)非常高的輸入阻抗。

V-（腳4）、V+（腳8）：電源，使用時(shí)，應(yīng)接0.1μF的電容器進(jìn)行旁路。

G0、G1和G2（腳5、6和7）：CMOS電平數(shù)字增益控制輸入，其中G2是最高有效位（MSB）。這三個(gè)腳可用來(lái)組合控制從IN腳到OUT腳的電壓增益。對(duì)LTC6910-1，其電壓增益有8個(gè)值（即0、1、2、5、10、20、50和100）可供選擇，分別對(duì)應(yīng)于數(shù)字輸入000～111。

3 工作原理

LTC6910-1是一種電壓增益數(shù)字可編程的小外形寬帶反相DC放大器。該P(yáng)GA通過(guò)在G（G2、G1和G0）腳上的3位數(shù)字輸入來(lái)控制8種電壓增益選擇（0、1、2、5、10、20、50和100）。當(dāng)3位二進(jìn)制數(shù)字增加時(shí)，電壓增益也相應(yīng)增加，通過(guò)MOS模擬開(kāi)關(guān)切換閉環(huán)運(yùn)算放大器的輸入電阻器陣列和反饋電阻器陣列中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制。放大器帶寬取決于增益設(shè)置。在±5V電源電壓下，當(dāng)電壓增益選擇1、2和5時(shí)，其-3dB頻率分別為7、5和2.5MHz。而當(dāng)增益設(shè)置為從10到100（數(shù)字輸入從100到111）時(shí)，其增益帶寬截止頻率均為11MHz。表2列出了LTC6910-1的增益設(shè)置及相關(guān)特性。

圖4

4 典型應(yīng)用

4．1 ADC動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展電路

圖3是用LTC6910-1擴(kuò)展ADC動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字采集系統(tǒng)中的部分電路。該電路將LTC6910-1可編程放大器與8引腳LTC1864模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）相結(jié)合。該ADC具有16位的分辨率和250ks/s的最大采樣率。當(dāng)LTC6910-1利用5V（與LTC1864相同）單電源工作時(shí)，可將ADC的輸入范圍擴(kuò)展40dB。當(dāng)LTC6910-1采用10V/V增益，且LTC1864的采樣率為250ks/s時(shí)，其滿標(biāo)度60%的一個(gè)１０kHz的輸入信號(hào)可在ADC的數(shù)字輸出上呈現(xiàn)-87dB的THD。而在相同條件下，100kHz的輸入信號(hào)將產(chǎn)生-75dB左右的THD值。

4．2 低噪聲AC放大電路

可以利用帶寬（BW）限制和增益調(diào)節(jié)抑制模擬數(shù)據(jù)采集中不希望的信號(hào)或噪聲。圖4是帶可編程增益和帶寬限制的低噪聲AC放大器的實(shí)際電路。該放大電路的增益和帶寬可編程。其中一個(gè)LTC6910-1用于控制增益，另一個(gè)LTC6910-1用于控制帶寬。LT1884型雙運(yùn)算放大器用于形成低通環(huán)路。

圖5

    當(dāng)BW輸入上的數(shù)字代碼為001、100和111時(shí)，相應(yīng)的帶寬設(shè)置分別為10Hz、100Hz和1kHz。通過(guò)調(diào)節(jié)電容C2，該電路也可提供其他的頻率范圍。LTC1884的增益帶寬乘積約為1MHz，在使用0.1μF的電容時(shí)，最大頻率為10kHz。當(dāng)電路輸入為10mVp-p、增益為100、帶寬為100Hz時(shí)，輸出信噪比為76dB。

4．3 AC耦合放大電路

在LTC6910-1的腳3串聯(lián)輸入電容（C1）便可組成AC耦合放大器，圖5所示是其具體電路及其頻率響應(yīng)曲線。圖中，C1用于設(shè)置低頻拐角頻率，AGND（腳2）用來(lái)設(shè)置DC輸出電壓。