可编程放大器（共3篇）
可编程放大器 篇1
1 引言
许多传感器输出信号变化范围较大。为了提高测量精度,减小相对误差,提高量化信噪比,需要在不同的输出电压范围时能自动换挡,改变分辨率。这就要求传感器电路除了具有信号放大功能外,还要具有自动换挡功能。文献[1]给出了两级放大和自动换挡电路的实例,其换挡电路由CPU控制的多路开关构成。但存在电路元件多和挡位少的不足。类似的工作也可见文献[2,3]。这里,给出一个使用级联可编程放大器的自动换档电路。
2 硬件电路设计方案
系统框图如图1所示。MCP6S28是模拟增益可编程运放(PGA)芯片[4],增益可设置为+1~+32V/V,有8个输入通道,可通过SPI总线选择增益水平和输入通道,并具有级联功能。MCP6S21只有一个通道[4],功能与MCP6S28一样。为提高分辨率、增加挡位,将MCP6S28与MCP6S21串联,就将总增益扩大到32*32=1024 V/V,串联后放大器也具有8个通道。MCP6S28作为前级放大芯片,其SO引脚应连到作为后级放大的MCP6S21的SI引脚,他们共用SCK和CS引脚。用C8051F020单片机自带的AD转换器对串联可编程放大器组件的输入和输出进行采样。
3 档位划分与自动换档方法
C8051F020单片机自带的A D转换器的参考电压VREF设定为3.3伏,则其AD转换器对应3.3伏出现全1值,即在ADH:ADL中出现数值0XFFF。按自动换档的要求,放大后输出电压已接近3.3伏左右为宜。最大输入信号Uimax为3.3 V。令每挡输入信号范围下限为Uin-1MIN,上限为Uin-1MAX。取Uin-1MIN=V REF/AN,Uin-1 MAX=V R E F/AN-1,因AN>AN-1,则有Uin-1 MIN
调节时,先取输入信号值,用A D转换器的限位监控来实现输入信号上下限报警,再与档位上下限值比较,以确定放大器应处档位,再给放大器相应的增益控制指令,再取回放大器的输出值。由增益控制指令和输出值可得较高分辨率的输入信号值。
4 程序实现方法
控制程序用C 5 1编写,采用前后台程序结构,只对1个通道进行控制。它包括系统初始化函数、SPI初始化函数、输入和输出采样函数、SPI管理函数、输入值超限检测函数和增益自动调节函数,其主函数流程如图2所示。表1各档位用数组Umin[66]表示。Umin[66]={1650,1,1,825,2,1,660,2,2,412,5,1,330,4,2,206,5,2,165,8,2,132,5,4,103,5,5,82.5,8,4,66,8,5,51,10,5,41,8,8,36,10,8,33,16,5,25,10,10,20,16,8,16.8,16,10,12.9,16,16,8.4,32,8,3.2,32,16,1,32,32}。在n=1的时候,将采样值Uin与各档位参数下限值Umin[3(n-1)]进行比较,如果Uin大于Umin[3(n-1)],则说明输入值已在该档位内,即已确定档位,可以结束此次循环,Umin[0)]即为相应增益控制指令;若Uin小于Umin[3(n-1)],则需要将Uin与下一个下限值进行比较,即执行n=n+1,如此反复进行,直至找到Uin大于或等于Umin[3(n-1)]时则可结束循环,此时通过n的值,找到数组中的相应增益控制指令Umin[3(n-1)]。在确定档位后,MCP6S21和MCP6S28的放大倍数是通过设置寄存器"GAIN REGISTER"的末三位实现的,共九种状态。增益自动调节函数void Gain Times(uchar time21,uchar time28)用switch(time21)和switch(time28)通过"1,2,4,5,8,10,16,32"这九个标志找到与之对应的相应寄存器的值,并分别调用SPI管理函数将其发给相应的放大器。
5 结束语
本设计的放大通道采用两级可编程放大器构成,因而得到22个不同增益的档位。从而明显改善了主通道放大器的分辨率和动态范围指标。使用单片机对放大器组件进行采样和控制,实现了自动和快速的档位转换。最后以挡位转换为重点说明了程序设计的技术。
参考文献
[1]王芳等.厚度传感器接口电路中自动换挡及调零技术[J].微处理机,2005,(4):11-12
[2]但果等.医用CT增益可编程的多路高速数据采集系统设计[J].CT理论与应用研究,2005,14(1):37-41
[3]袁子龙等.高分辨率地震勘探智能程控型前置放大器的设计[J].地球物理学进展,2006,21(3):300-303
[4]邢丽娟等.可编程增益放大器MCP6S2X在多路信号采集中的应用[J].国外电子元器件,2004,(2):71-74
可编程放大器 篇2
可变增益放大器（VGA）作为一个重要的模拟电路模块，在医疗设备、无线通信设备、助听设备以及磁盘驱动等设备中有着广泛应用[1]。可变增益放大器根据增益控制信号为模拟信号还是数字信号，可以分为模拟信号控制的可变增益放大器和数字可编程增益放大器（PGA）。随着现代集成电路的发展，越来越注重于依靠数字电路高集成度、低功耗的特点来辅助设计模拟电路，所以PGA逐渐成为了可变增益放大器的主流研究方向。本文在介绍可变增益放大器工作原理的基础之上，基于TSMC 130 nm CMOS工艺设计了一种低功耗可变增益放大器，并提取寄生参数进行了后仿真验证，结果显示该PGA在1.2 V电源电压下消耗400μA电流，实现增益调节范围为0～40 dB，增益连续，线性度OIP3为18.84 dB，性能良好。
1 PGA工作原理
PGA基本结构可以分为开环结构和闭环结构两种，开环结构典型方法如图1(a）所示，通过可编程源极退化电阻实现增益变化，这种结构功耗低，但线性度较差。闭环结构典型方法如图1(b）所示，通过可编程反馈电阻网络实现增益变化，这种结构功耗较大，但线性度较好。
2 低功耗恒定带宽PGA的设计
2.1 PGA架构的选择
恒定带宽PGA电路架构如图2所示，电路主要由3个跨导级Gm单元和电流衰减器Aii构成，图2电路增益和带宽可以表示为：
从式（1）、式（2）中可以看出，如果保持Gm2恒定，通过改变Aii来实现增益变化的情况下，PGA的带宽可以保持恒定[2]。假设Gm1=kGm2,Gm3=NGm2,Aii的变化范围为[-1,+1]则增益变化范围可以表示为：
2.2 电路与版图设计
PGA往往处于链路最后一级，为提高电路线性度需要设计高线性度Gm单元，本文所设计的高线性度跨导单元如图3所示。
电路在传统源极退化的基础之上引入晶体管M3、M4，分别与晶体管M1、M2构成局部负反馈，使输入管的源极输出阻抗由。其中T为环路增益，所以Gm的表达式为：
从式（4）可以看出，局部负反馈使得等效跨导能更加有效提高电路线性度[3]。
图4所示为电流衰减器电路结构，通过差分对重新分配跨导级输出的电流，通过加载在栅极的Vctrl电平实现压控衰减电流的功能[4]。
电路完整结构如图5所示，基于TSMC 130 nm工艺的版图设计[5]如图6所示。
3 后仿真结构与分析
首先使用Assure的寄生参数提取工具RCX提取版图寄生参数，然后将得到的网表文件导入原理图网表中，最后对添加了寄生参数的原理图进行后仿真验证。PGA在不同增益下的幅频特性如图7所示，整个可变增益放大器实现了从0.112～40.118 dB的增益调节范围，-3 dB带宽为8 MHz，带内增益平坦，体现出良好的频率特性。
图8所示为PGA线性度仿真曲线，OIP3达到18.84 dB，线性度良好。
4 结语
本文基于TSMC 130 nm CMOS工艺设计了一种低功耗恒定带宽PGA电路，并进行了版图设计和后仿真验证，充分考虑了实际流片后存在的寄生问题，结果显示本文所设计的可变增益放大器实现了0～40 dB的增益调节范围，线性度良好，OIP3达到18.84 dB，在1.2 V电源电压下，电流消耗仅为400μA。
参考文献
[1]CHEN Z,ZHENG Y,CHOONG F C,et al.A low-power variable-gain amplifier with improved linearity:analysis and design[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I,2012,59(10):2176-2185.
[2]ONET R,NEAG M,KOVACS I,et al.Compact Variable Gain Amplifier for a multistandard WLAN/Wi MAX/LTE receiver[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I,2014,61(1):247-257.
[3]MOSTAFA M A I,EMBABI S H K,ELMALA M.A 60 d B246 MHz CMOS variable gain amplifier for subsampling GSM receivers[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI)Systems,2003,11(5):535-538.
[4]GUO Chun-bing,LUONG H C.A 70 MHz 70 d B-gain VGA with automatic continuous-time offset cancellation[J/OL].[2009-09-25].http://www.bbs.eetop.cn/threa...1-1.html.
[5]SAINT C,SAINT J.集成电路掩模设计:基础版图技术[M].北京:清华大学出版社,2006.
可编程放大器 篇3
太赫兹电磁波[1](Terahertz Waves,简称THz)其波长范围为0.033 mm,频率范围在100.1 THz,在电磁波谱中位于微波和红外波之间,具有很多独特的优越性。其中太赫兹时域光谱[1,2](Terahertz Time-domain Spectroscopy,THz-TDS)技术是太赫兹波技术中发展最快,应用最广泛的一种有效的探测技术,并且具有带宽宽,探测灵敏度高,在室温下能够稳定工作等优点。但是THz-TDS系统光导天线上产生的电流信号强度非常微弱[3,4],只有PA量级,被淹没在背景噪声中,需要采用锁相放大技术将系统采集到的信号进行放大,才能对信号进行处理和分析。而普通的商用锁相放大器虽然放大效果较好,但是体积庞大,价格昂贵, 不利于THz仪器的集成化和小型化。
THz技术具有的众多优越性和广泛的使用前景,已经引起学术界广泛的关注和研究。由于THz技术的快速发展和实际的使用需求,国外有些研究机构跟一些著名的仪器生产商合作开始研发小型化的便于使用的THz仪器,也有实验室自己生产实用化的THz仪器,一些原来生产光电相关产品的高科技公司凭借自己的技术优势,也着手THz仪器的开发工作。目前国际上已经商用化的比较有代表性的是美国Zomega公司的mini-Z型小型THz时域光谱仪、Fico光纤耦合式THz时域系统,Picometrix公司的T-ray 4000系统, 德国Toptica公司的Tera Scan连续波THz光谱分析系统和Tera Flash时域光谱分析平台以及英国Tera View公司的TPS spectra光谱仪,国内还没有相关的可商用化的仪器出现。
高性能、实用化、集成化是未来THz仪器的发展方向,针对这些需求,本文就THz仪器中的锁相放大系统展开研究,设计了一套基于AD630的锁相放大器系统[5,6],主要由电流放大器,可编程窄带滤波器, 相敏检测器(AD630)以及可编程低通滤波器等组成,实验结果表面该锁相放大系统能够根据不同的使用要求设置不同的中心斩波频率和带宽值(Q值),并且具有锁相效果好,体积小,价格便宜,具有自主知识产权,便于THz仪器集成化等优点,为THz仪器的小型化和集成化做出了探索。
1系统基本原理和设计
1.1相放大基本原理
锁相放大器[7](Lock-in Amplifier)是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪,利用参考信号与被测信号的互相关特性,提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。基本结构如下图1所示:包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。
相敏检测器的输出up(t)是它的两路输入信号(被测信号和参考信号)的乘积,即:
设被测调制信号x (t )和参考输入信号r (t) 分别为
式中:ω0是被测调制信号和参考信号的频率;θ 是它们之间的相位差,将式(2)和式(3)代入式(1)中,得:
式(4)结果的第一项为乘积的差频分量,第二项为和频分量,经过相敏检测器以后,原来的频率为ω0的信号迁移到了 ω0和ω2ω0处。相敏检测器的输出up(t)经过图1中的低通滤波器(LPF)后,式(4)中频率为2ω0的和频分量被滤除,LPF通带之外的噪声也被滤除,得到的输出为
式(5)说明,LPF的输出正比于被测调制信号的幅度Vs,同时正比于被测调制信号与参考信号的相位差 θ 的余弦函数。当θ0时,输出u0(t)最大,从而实现了鉴幅又鉴相。
1.2系统设计
THz-TDS光导天线上产生的一般为PA量级电流信号,非常微弱,不利于锁相放大器对信号的处理, 此时需要电流放大器对光导天线上产生的微弱电流信号转化为电压信号,并进行预放大,方便后续信号处理。
在整个THz-TDS信号探测系统中,需要有确定的被测调制信号和参考信号的中心频率、相位差、带通滤波的带宽(Q值)、低通滤波的截止频率和总体增益等参数,同时,由于不同的测量对象,需要使用不同的工作参数。所以要求该信号探测系统能够根据不同的使用要求设置不同的中心斩波频率、带通滤波器的带宽(Q值)以及低通滤波器的低通截止频率,即要求中心斩波频率可调,带通滤波器的带宽和低通滤波器的截止频率可编程。
模拟开关在电子电路中主要起接通信号或断开信号的作用,具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等优点。根据该系统的使用要求可以选择开关电容小,开电阻小,阻断阻抗高的高速模拟开关控制电阻矩阵的方法来实现可编程的带通和低通滤波器。
一般来说,在THz-TDS系统中,光学延迟线的运动速度越快,需要采集的数据速度越快,斩波频率也应相应提高,取样后的THz频谱频率越高。光学延迟线的移动速度对最后采集到的THz信号的信噪比也有一定的影响,移动速度越快,信噪比越低。可编程滤波器的带宽越窄,即Q值越高,整个系统的噪声越小,但是对斩波的中心频率的稳定性要求越高。
整个可编程THz-TDS锁相放大系统结构示意图如图2所示:从光导天线上产生的THz脉冲信号首先经过电流放大器将微弱的电流信号放大转换为电压信号,然后通过可编程滤波器,选择需要通过的信号频带,提高信号的信噪比。参考信号和通过程控放大器后的THz脉冲信号同时接入到相敏检测器(AD630), 经过检波处理后的信号进过低通滤波,经过合适的程控放大,然后通过ADC将模拟信号转换成数字信号采集到上位机。
1.3相敏检测设计
AD630是一款高精度的平衡调制器,其信号处理应用包括平衡调制和解调、同步检测、相位检测、相敏检测和锁相放大等,不需要外接电容即可稳定工作在闭环增益状态下,是设计制作锁相放大器最为理想的集成芯片[8]。当处在锁相放大功能时,AD630根据调制频率进行正相反相交替切换输出,其作用就等效于不断乘以±1或者±2的乘法器,具体的电气连接如图3所示,经过可编程滤波器和程控放大器的信号SIGN接入AD630的第1脚,参考信号REF由同时提供斩波信号的CPLD给出,连接到第9脚,相敏检测结果VOUT由第13脚输出。检波以后的电压信号,经过低通滤波去除噪声,经过合适的放大,并通过模数转换,存储在下位机FLASH或者直接提取到上位机中,进行信号分析。
2实验结果和系统性能分析
电流放大器是将光导天线产生的微弱电流信号放大转换成电压信号,设计制作的电流放大器单元可以将PA量级的电流信号放大转换为m V量级的电压信号。
整个系统的PCB如图4,在该PCB上集成了可编程滤波器,程控放大器,相敏检测器,可编程低通滤波器,通信控制单元,数据存储单元以及电源等其它辅助单元,整个PCB的面积约为145 mm×93 mm。
可编程带通滤波器的主要作用是根据样品和系统的工作状态,确定通过系统的中心斩波频率和带宽(Q值),提高信噪比。利用信号发生器输出幅值一定、频率可调的正弦波,并使用示波器观察通过该可编程带通滤波器在不同Q值时的正弦波的幅值和波形变化,确定其频率幅值特性曲线。 实际测量的滤波器在不同中心斩波频率的情况下,输出幅值(归一化)和Q值得关系如图5所示,图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)分别是中心斩波频率为1 k Hz,2 k Hz,4 k Hz,5 k Hz时的输出幅值和Q值关系图。测量结果表面该可编程带通滤波器能够根据不同的使用状态,设置不同的Q值,有效控制滤波器的带宽。
为了检验该探测系统探测微弱信号的能力,本文进行了模拟实验。由信号发生器发出带有噪声的被方波调制的正弦信号作为系统的输入信号,经过系统的锁相放大输出的信号作为检测信号。由于信号发生器无法输出微伏级的微弱信号,可以将输出信号经过电阻分压后再输入系统。图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)分别是当输入信号幅值为10 V、50 V、100 V、500 V时的输入信号和检测信号示波器显示图。可以发现当输入信号仅为10 V时,系统可以检测出正弦信号,但是信噪比低,信号峰-峰值为50 m V。随着输入信号幅值的增大,检测出的信号幅值和信噪比均有所提高。当输入信号幅值为500 V时,检测出的信号峰-峰值已为1.2 V。系统设计的电流放大器可以将PA量级的电流信号放大转换为m V级的电压信号, 所以该系统能够很容易的检测出THz-TDS发出的信号,并且能够做到很高的信噪比。
使用该套系统测量天津大学太赫兹研究中心的8f系统产生的THz信号,在不加载样品的情况下,采集到的AD以前的THz信号如图7所示,图7(a)为斩波频率为1.6 k Hz时的THz信号,图7(b)为斩波频率为3.2 k Hz时的THz信号。从图中可以看出随着系统斩波频率的变化,在可编程滤波器和可编程低通滤波器的作用下,信号并没有发生严重的失真。通过对不同斩波频率相应数据的计算,最终得到在光学延迟线移动速度为1 500 m/s,连续扫描的情况下,采集到的THz信号的信噪比[9,10,11]在50 d B左右。与Zomega公司的Micro-Z---2011便携式THz仪器(信噪比50 d B)相差不多,不足之处在于本系统处在实验室研发阶段, 还没有集成一个完整的小型仪器,但是本系统能够根据光学延迟线的移动速度设置合适的带宽,根据样品的厚度和材料的变化设定合适的中心斩波频率和放大倍数,而不用制定标准严格的样品。
3结论