可编程增益放大器（PGA）

前言

本篇对运放中的PGA进行一个简短的汇总，包括其发展和基本的原理。

一、PGA的起源与历史发展

1. 早期模拟增益控制（1950s-1970s）

在电子技术的早期阶段，信号放大器的增益调节完全依赖手动机械控制：

• 电位器调节：通过旋转机械电位器改变反馈电阻，调整放大倍数（如经典的OP-AMP电路）。

• 局限性：精度低（±20%）、易受环境（温度/振动）影响，无法实现自动化控制。

2. 可编程增益的初步探索（1970s-1980s）

随着数字控制技术的发展，第一代离散式PGA诞生：

• 继电器切换电阻网络：通过继电器开关选择不同电阻组合（如AD526的前身设计）。

• 缺点：体积大、速度慢（ms级切换）、继电器寿命有限。

3. 集成电路革命（1980s-2000s）

半导体工艺进步推动PGA的集成化与微型化：

• CMOS开关技术：用MOSFET替代机械继电器，实现ns级切换（如AD625的开关电阻网络）。

• 数字控制接口：支持SPI/I²C编程（如TI的PGA112支持16级增益设置）。

• 关键突破：ADI的AD526（1985年）成为首款商业化单芯片PGA，集成8位DAC控制增益。

4. 现代高性能PGA（2000s至今）

• 高精度与低噪声：如AD8251（0.1 μV/√Hz噪声，0.001%非线性度）。

• 宽带宽与高速：THS7001支持100 MHz带宽，增益切换时间<100 ns。

• 智能化集成：集成ADC、滤波器、校准功能（如ADAS1134用于医疗CT扫描）。

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二、PGA的核心原理与结构

1. 基本功能定义

PGA（Programmable Gain Amplifier）是一种增益可通过数字信号编程调节的放大器，核心功能包括：

• 动态范围扩展：自动匹配输入信号幅度与ADC量程。

• 噪声抑制：通过优化增益降低后续电路的量化噪声影响。

2. 典型实现方案

(1) 电阻网络切换式PGA

• 原理：通过模拟开关（如CMOS传输门）切换反馈电阻RfRf​或输入电阻RgRg​。

• 增益公式：

  G=1+RfRg或G=−RfRg (反相模式)G=1+Rg​Rf​​或G=−Rg​Rf​​(反相模式)

• 代表芯片：AD8251（支持增益1~1000，切换时间500 ns）。

(2) 开关电容式PGA

• 原理：利用电容电荷转移实现增益调节，避免电阻的热噪声。

• 优势：低温漂（<1 ppm/°C）、高线性度，适合精密测量。

• 应用：ADI AD8231（ECG信号采集）。

• 参考资料：开关电容 Switched Capacitor 基本知识 - 知乎

(3) 数字电位器集成式PGA

• 结构：OP-AMP + 数字电位器（如AD5272）。

• 特点：增益连续可调，但带宽受限（通常<1 MHz）。

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三、应用

PGA本身很复杂，但作为应用层面，其实只需要知道其增益主要由两种方式进行控制，结合运放的选型设计进行考虑即可——

    第一，管脚控制方式：通过程序或者开关，控制PGA增益管脚的高低电平，以此形成多种状态，每种状态下，PGA具有不同的增益。比如某PGA具有3个控制增益的管脚，通过改变其高低电平，可以产生2=8种状态，分别为：000代表增益为1倍；001代表增益为2倍；010代表增益为4倍；111代表增益为128倍。
    这种模式的PGA一般应用于需要的增益种类不多，或者不需要经常变化增益的场合。
    第二，程序写入方式：一般用SPI总线，由单片机发出SPI命令，将增益控制字写入PGA中，PGA将根据这些命令决定自己的实际增益。
    这种模式的PGA一般用于需要的增益种类较多，或者需要频繁更换增益的场合。