LTC6910系列数字控制可编程增益放大器原理与应用
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摘要：LTC6910-1、LTC6910-2和LTC6910-3是占用PCB空间非常小的低噪声数字控制可编程增益放大器。它们可通过3位数字输入来提供8种电压增益以供选择。文中简要介绍LTC6910的主要特性、内部结构、引脚功能和工作原理，给出LTC6910的实际应用电路。
关键词：LTC6910-1/2/3 3位数字增益控制 PGA 满摆幅输入/输出
1 概述
凌特公司（LTC）生产的LTC6910系列数字控制可编程增益放大器（PGA）单片IC是专门为数据采集系统（DAS）、动态增益变化、自动测距电路和自动增益控制等方面应用而设计的。
LTC6910系列PGA共有3个型号，即LTC6910-1、LTC6910-2和LTC6910-3。这些电路的共同特性如下：
·采用3位数字控制和8引脚SOT-23封装；
·电源电压范围为2.7V～10.5V，最大电源电流为3mA（典型值）；
·满摆幅输入/输出（I/O），即输入和输出信号幅度几乎等于电源（干线）电压值，也就是人们常讲的“轨对轨”。
3种PGA的8种电压增益（V/V）、输入噪声、增益带宽乘积（GBW）和系统动态范围并不完全相同，具体如表1所列。
表1 LTC6910-1/2/3参数比较
| 型号 | 增益范围（V/V） | 输入电压噪声（nV/根号H2） | 系统动态范围（dB） | GBW |
| LTC6910-1 | 0，1，2，5，10，20，50，100 | 9 | 119 | 11 |
| LTC6910-2 | 0，1，2，4，8，16，32，64 | 9 | 120 | 13 |
| LTC6910-3 | 0，1，2，3，4，5，6，7 | 10.6 | 117 | 11 |
表2 LTC6910-1的增益设置与相关特性
| 控制输入代码 | 电压增益 | 线性输入范围（Vp-p） | 输入阻抗（kΩ） | |||||
| G2 | G1 | G0 | V/V | （dB） | 5V双电源 | 5V单电源 | 3V单电源 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | -120 | 10 | 5 | 3 | 开路 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 10 | 5 | 3 | 10 |
| 0 | 1 | 0 | 2 | 6 | 5 | 2.5 | 1.5 | 5 |
| 0 | 1 | 1 | 5 | 14 | 2 | 1 | 0.6 | 2 |
| 1 | 0 | 0 | 10 | 20 | 1 | 0.5 | 0.3 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 20 | 26 | 0.5 | 0.25 | 0.15 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 50 | 34 | 0.2 | 0.1 | 0.06 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 100 | 40 | 0.1 | 0.05 | 0.03 | 1 |
下面仅以LTC6910-1为例，介绍其引脚功能、工作原理及应用电路。
2 内部结构及引脚功能
LTC6910-1引脚排列如图1所示，图2为其内部电路组成框图。LTC6910-1的引脚功能如下：
OUT（脚1）：模拟输出，这是内部运算放大器的输出端，其输出摆幅接近电源（干线）电压（V+和V-）。运算放大器在任何时刻，包括零增益设置（数字输入000）在内，都是有源的。该脚输出电流为10mA，可驱动高达50pF容性负载。
AGND（脚2）：模拟地，位于内部电阻分压器的中间点，同时又是内部运算放大器的非反相输入端。
IN（脚3）：模拟输入。输入到放大器的信号是IN脚与AGND脚之间的电压差。该脚在内部连接到数字控制电阻，在单位增益（数字输入001）上，其输入电压大约是10kΩ，输入电压范围为V+到V-。增益设置超过1（数字输入010或更高）时，输入电阻器阻值下降。电压增益为10或更高（数字输入100或更大）时，输入电阻将降至1kΩ左右。在“0”增益状态（数字输入000），IN脚的模拟开关断开，此时该脚会呈现非常高的输入阻抗。
V-（脚4）、V+（脚8）：电源，使用时，应接0.1μF的电容器进行旁路。
G0、G1和G2（脚5、6和7）：CMOS电平数字增益控制输入，其中G2是最高有效位（MSB）。这三个脚可用来组合控制从IN脚到OUT脚的电压增益。对LTC6910-1，其电压增益有8个值（即0、1、2、5、10、20、50和100）可供选择，分别对应于数字输入000～111。
3 工作原理
LTC6910-1是一种电压增益数字可编程的小外形宽带反相DC放大器。该PGA通过在G（G2、G1和G0）脚上的3位数字输入来控制8种电压增益选择（0、1、2、5、10、20、50和100）。当3位二进制数字增加时，电压增益也相应增加，通过MOS模拟开关切换闭环运算放大器的输入电阻器阵列和反馈电阻器阵列中的电阻来实现增益控制。放大器带宽取决于增益设置。在±5V电源电压下，当电压增益选择1、2和5时，其-3dB频率分别为7、5和2.5MHz。而当增益设置为从10到100（数字输入从100到111）时，其增益带宽截止频率均为11MHz。表2列出了LTC6910-1的增益设置及相关特性。
图4
4 典型应用
4．1 ADC动态范围扩展电路
图3是用LTC6910-1扩展ADC动态范围的数字采集系统中的部分电路。该电路将LTC6910-1可编程放大器与8引脚LTC1864模/数转换器（ADC）相结合。该ADC具有16位的分辨率和250ks/s的最大采样率。当LTC6910-1利用5V（与LTC1864相同）单电源工作时，可将ADC的输入范围扩展40dB。当LTC6910-1采用10V/V增益，且LTC1864的采样率为250ks/s时，其满标度60%的一个１０kHz的输入信号可在ADC的数字输出上呈现-87dB的THD。而在相同条件下，100kHz的输入信号将产生-75dB左右的THD值。
4．2 低噪声AC放大电路
可以利用带宽（BW）限制和增益调节抑制模拟数据采集中不希望的信号或噪声。图4是带可编程增益和带宽限制的低噪声AC放大器的实际电路。该放大电路的增益和带宽可编程。其中一个LTC6910-1用于控制增益，另一个LTC6910-1用于控制带宽。LT1884型双运算放大器用于形成低通环路。
图5
当BW输入上的数字代码为001、100和111时，相应的带宽设置分别为10Hz、100Hz和1kHz。通过调节电容C2，该电路也可提供其他的频率范围。LTC1884的增益带宽乘积约为1MHz，在使用0.1μF的电容时，最大频率为10kHz。当电路输入为10mVp-p、增益为100、带宽为100Hz时，输出信噪比为76dB。
4．3 AC耦合放大电路
在LTC6910-1的脚3串联输入电容（C1）便可组成AC耦合放大器，图5所示是其具体电路及其频率响应曲线。图中，C1用于设置低频拐角频率，AGND（脚2）用来设置DC输出电压。
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