[硬件电路-116]：模拟电路 - 信号处理电路 - 程控增益放大器

一、定义与核心原理

程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier, PGA）是一种通过数字信号或软件编程动态调整增益的电子设备。其核心原理是通过控制内部可调电阻网络（如R-2R网络、开关电阻阵列或数字电位器）改变反馈比例，配合模拟开关和逻辑电路实现闭环增益的精确调整。例如：

• 电阻网络切换：通过多路模拟开关选择不同阻值的反馈电阻，改变增益公式 G=1+Rg​Rf​​ 中的参数。
• 数字电位器：直接调节反馈电阻值，实现连续增益变化。
• 电压控制：部分型号（如VGA）通过外部控制电压线性调整增益（如VCA810支持-40dB至+60dB范围）。

二、技术实现方式

1. 数字控制接口
   • 并行控制：通过多根引脚设置二进制增益码（如AD8231用3根线实现8种增益：1×、2×、…、128×）。
   • 串行接口：使用SPI、I²C或USB协议接收增益参数（如AD8366支持并行/串行控制，可单独或同步调整两路增益）。
   • 直接数字输入：部分型号通过GPIO引脚接收数字信号，驱动内部逻辑电路切换电阻组合。
2. 内部架构
   • 精密运算放大器：提供基础放大功能。
   • 模拟开关阵列：选择不同反馈路径。
   • 基准电压源：确保增益稳定性。
   • 逻辑控制模块：解析数字指令并驱动开关动作。
3. 闭环控制流程
   • 信号监测：ADC采集输出信号幅度。
   • 算法分析：软件判断信号是否超出目标范围（如过载或信噪比不足）。
   • 增益调整：通过接口发送新增益参数，触发内部电阻网络重构。
   • 防饱和机制：过载时自动降低增益，避免信号削顶。

三、关键特性与优势

1. 动态范围优化
   • 自动适应输入信号幅度变化（如从1μV到1V），确保后端ADC始终工作在最佳量程，提高测量精度。
   • 示例：在数据采集系统中，PGA可防止小信号被噪声淹没，或大信号导致ADC饱和。
2. 灵活性与自动化
   • 无需手动更换电阻或调整电位器，支持远程控制或自适应调整。
   • 典型应用：
     • 通信系统：基站接收机根据信号强度动态调整增益，维持输出稳定性。
     • 医疗设备：ECG信号采集时，自动补偿电极接触电阻变化。
     • 工业控制：传感器信号调理中，匹配不同量程的输入。
3. 高精度与稳定性
   • 内部电阻网络经过精密校准，增益误差低（如ADI公司部分型号增益精度达0.1%）。
   • 温度补偿设计减少环境干扰对性能的影响。

四、典型应用场景

1. 信号处理系统
   • 通信基站：补偿无线信号衰减，确保接收灵敏度。
   • 超声波雷达：通过增益调整提升探测距离和分辨率。
   • 锁相放大器：提取微弱信号时，动态优化信噪比。
2. 数据采集与测量
   • 智能仪器仪表：自动量程切换，覆盖多数量级输入范围。
   • 自动化测试设备：适配不同测试对象，减少人工干预。
3. 音频与视频处理
   • 音频AGC（自动增益控制）：维持录音或广播信号幅度恒定。
   • 视频信号调理：适应不同光照条件下的摄像机输出。

五、选型与设计考量

1. 核心参数
   • 增益范围：如-40dB至+60dB（VCA810）或1×至128×（AD8231）。
   • 控制接口：根据系统资源选择并行（快速但引脚多）或串行（节省引脚但速率较低）。
   • 带宽与速度：高频应用需关注增益带宽积（GBW），如射频信号处理需MHz级带宽。
   • 噪声与失真：低噪声型号（如AD8336）适用于高精度测量。
2. 设计示例
   • 基于AD8231的仪表放大器：
     • 增益设置：3根引脚控制8种增益，适合资源受限场景。
     • 应用：生物电信号采集（如EEG、EMG）。
   • 基于VCA810的AGC电路：
     • 控制电压生成：通过包络检波器检测信号幅度，反馈调整增益。
     • 应用：无线通信接收机，维持输出信号稳定性。
3. 现代实现方案
   • FPGA控制：利用状态机实现增益切换逻辑，提升响应速度。
   • 上位机软件：通过LabVIEW或Python编写人机交互界面，简化参数配置。

六、程控增益放大器常见芯片

1、国际主流厂商芯片

1. ADI（Analog Devices）系列
   • AD603
     • 特性：低噪声（1.3nV/√Hz）、90MHz带宽，增益范围-11dB至+31dB（90MHz带宽）或+9dB至+51dB（9MHz带宽），支持线性分贝增益控制（25mV/dB）。
     • 应用：射频/中频自动增益控制（AGC）、视频信号调理、超声波检测、激光雷达信号放大。
     • 优势：高精度（±0.5dB增益误差）、低功耗（±5V供电时125mW）、支持两级级联扩展至84.28dB增益。
   • AD8336
     • 特性：增益范围-14dB至+46dB，频率范围DC~100MHz（实测80MHz以下稳定），支持手动或DAC程控。
     • 内部结构：前级固定放大12dB，中间级可控衰减0~-60dB，后级固定放大34dB。
     • 应用：需要宽增益范围和灵活控制的场景，如通信系统、医疗仪器。
   • PGA202/PGA203
     • 特性：增益误差低（<0.05%），支持软件编程增益选择（如PGA203提供8种增益：1×、2×、…、128×）。
     • 应用：精密测量系统、数据采集模块，需搭配外部参考电压和电阻网络。
2. TI（Texas Instruments）系列
   • VCA821
     • 特性：710MHz小信号带宽（G=+2V/V），增益调整范围>40dB，增益精度20dB±0.3dB，转换速率2500V/μs。
     • 控制方式：压控（0V至+2V控制电压对应增益线性变化）。
     • 应用：高频信号处理、高速数据采集、雷达系统。
   • LH0084/LH0084C
     • 特性：高速、高精度，增益级由2位数字输入端控制（1、2、5、10倍增益），共模抑制比和电源抑制比高。
     • 应用：数据采集系统、仪器仪表，工作温度范围宽（-55℃~+125℃或-25℃~+85℃）。

2、国产芯片方案

1. 汇芯通（HXTG）系列
   • HXTG0320
     • 特性：DC~3GHz带宽，增益20dB，输出P1dB为14dBm，采用GaAs工艺，单电源工作，输入输出端50Ω匹配。
     • 应用：射频信号放大、通信基站。
   • HXTG1220T89
     • 特性：DC~10GHz带宽，增益20dB，噪声系数4dB，输出P1dB@1GHz达17dBm，支持自偏压功能。
     • 应用：高频测试设备、卫星通信。
   • HXTG0616
     • 特性：DC~6GHz带宽，增益16dB，输出P1dB为14dBm，适合中高频信号调理。
     • 应用：无线通信、雷达信号处理。
2. 其他国产型号
   • X9XX系列数控电位器：替代机械电位器，用于微调增益和失调，价格低廉（如X9312售价仅几元）。
   • MCP6S28T-I/SL：SOIC16封装，支持可编程增益调整，适用于低功耗便携设备。

3、选型关键考量

1. 增益范围与精度
   • 若需宽范围（如-40dB至+60dB），可选VGA芯片（如VCA810）；若需高精度（±0.1dB），可选PGA202/PGA203。
2. 带宽与速度
   • 高频应用（如射频）需选择GHz级带宽芯片（如HXTG1220T89）；高速数据采集需关注压摆率（如VCA821的2500V/μs）。
3. 控制接口
   • 简单场景可用并行控制（如AD612/AD614）；复杂系统推荐SPI/I²C接口（如AD8336）。
4. 噪声与线性度
   • 医疗仪器等高精度场景需低噪声芯片（如AD603的1.3nV/√Hz）；音频AGC需低失真设计。
5. 成本与供应链
   • 国产芯片（如HXTG系列）在性价比和供货稳定性上具优势，适合批量应用。