LTC6911-1/LTC6911-2：低噪聲數(shù)字可編程增益放大器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，放大器的性能和功能對于整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)起著關(guān)鍵作用。今天要給大家介紹的是Linear Technology Corporation推出的LTC6911-1/LTC6911-2，這是一款低噪聲數(shù)字可編程增益放大器（PGAs），具有諸多出色的特性，能滿足多種應(yīng)用場景的需求。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 數(shù)字增益控制靈活

LTC6911-1和LTC6911-2通過3位數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)增益控制，提供了豐富的增益選擇。LTC6911-1具有0、1、2、5、10、20、50和100V/V的反相增益；LTC6911-2則提供0、1、2、4、8、16、32和64V/V的反相增益。這種靈活的增益控制方式，能滿足不同信號(hào)放大的需求。

2. 雙匹配可編程增益放大器

該產(chǎn)品包含兩個(gè)匹配的可編程增益放大器，通道間增益匹配最大僅為0.1dB，確保了兩個(gè)通道的增益一致性，對于需要精確信號(hào)處理的應(yīng)用非常重要。

3. 寬輸入輸出范圍

具備軌到軌的輸入范圍和輸出擺幅，能夠處理接近電源電壓范圍的信號(hào)，提高了信號(hào)處理的動(dòng)態(tài)范圍。

4. 電源適應(yīng)性強(qiáng)

支持單電源或雙電源供電，電源電壓范圍為2.7V至10.5V，這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，增加了產(chǎn)品的適用性。

5. 高性能指標(biāo)

• 增益帶寬積：達(dá)到11MHz，能夠滿足較高頻率信號(hào)的放大需求。
• 低輸入噪聲：輸入噪聲僅為10nV/√Hz，有助于減少信號(hào)中的噪聲干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。
• 高動(dòng)態(tài)范圍：系統(tǒng)總動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB，能夠處理大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)。
• 低輸入失調(diào)電壓：在增益為10時(shí)，輸入失調(diào)電壓為2mV，保證了信號(hào)放大的準(zhǔn)確性。

  6. 小封裝設(shè)計(jì)

  采用10引腳的MSOP封裝，占用的PCB板空間較小，適合對空間要求較高的應(yīng)用場景。

二、應(yīng)用場景廣泛

1. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不同的傳感器輸出信號(hào)幅度可能差異較大。LTC6911-1/LTC6911-2的可編程增益特性可以根據(jù)輸入信號(hào)的幅度自動(dòng)調(diào)整增益，確保采集到的信號(hào)能夠被準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化處理。例如，結(jié)合16位分辨率、最大采樣速率為250ksps的LTC1865 ADC，可以擴(kuò)展ADC的輸入幅度范圍，實(shí)現(xiàn)對寬范圍輸入信號(hào)的精確采集。

2. 動(dòng)態(tài)增益改變

在一些信號(hào)強(qiáng)度變化較大的應(yīng)用中，如無線通信、雷達(dá)等，需要實(shí)時(shí)調(diào)整放大器的增益以適應(yīng)信號(hào)的變化。LTC6911-1/LTC6911-2的數(shù)字可編程增益功能可以方便地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)增益改變，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和性能。

3. 自動(dòng)量程電路

自動(dòng)量程電路需要根據(jù)輸入信號(hào)的大小自動(dòng)選擇合適的量程，以保證測量的精度和準(zhǔn)確性。LTC6911-1/LTC6911-2可以根據(jù)輸入信號(hào)的幅度自動(dòng)調(diào)整增益，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程切換，提高測量系統(tǒng)的性能。

4. 自動(dòng)增益控制

在音頻、視頻等信號(hào)處理系統(tǒng)中，為了保證輸出信號(hào)的幅度穩(wěn)定，需要采用自動(dòng)增益控制（AGC）技術(shù)。LTC6911-1/LTC6911-2可以根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整增益，實(shí)現(xiàn)AGC功能，提高信號(hào)處理的質(zhì)量。

三、電氣特性詳解

1. 電源相關(guān)特性

• 總電源電壓范圍：2.7V至10.5V，不同的電源電壓會(huì)影響放大器的一些性能指標(biāo)，如增益、輸出電壓擺幅等。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的電源電壓。
• 每通道電源電流：在不同的電源電壓和輸入條件下，每通道的電源電流會(huì)有所變化。例如，在(VS = 2.7V)，(V{INA} = V{INB} = V{AGND})時(shí)，典型值為2.1mA。了解電源電流的特性有助于評估系統(tǒng)的功耗。

  2. 輸出特性

• 輸出電壓擺幅：輸出電壓擺幅與電源電壓、負(fù)載電阻等因素有關(guān)。在不同的電源電壓和負(fù)載條件下，輸出電壓擺幅的最小值和最大值會(huì)有所不同。例如，在(V_S = 5V)，(R_L = 10k) 連接到中點(diǎn)電源時(shí)，輸出電壓擺幅LOW的典型值為20mV，HIGH的典型值為10mV。
• 輸出短路電流：在(V_S = 2.7V)時(shí)，輸出短路電流為±27mA；在(V_S = ±5V)時(shí)，為±35mA。需要注意的是，長時(shí)間的輸出短路可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫超過150°C，因此不建議長時(shí)間短路輸出。

  3. 增益特性

• 電壓增益：不同的增益設(shè)置會(huì)對應(yīng)不同的電壓增益值，且增益會(huì)受到電源電壓、負(fù)載電阻等因素的影響。以LTC6911-1為例，在(V_S = 2.7V)，增益為1，(R_L = 10k)時(shí)，電壓增益的典型值為 -0.07dB至0.07dB。
• 通道間電壓增益匹配：通道間電壓增益匹配在不同的電源電壓、增益和負(fù)載條件下都有較好的表現(xiàn)，最大偏差一般在±0.2dB以內(nèi)，確保了兩個(gè)通道的增益一致性。

  4. 其他特性

• AGND相關(guān)特性：AGND引腳是內(nèi)部電阻分壓器的中點(diǎn)，提供了一個(gè)參考電壓。其開路電壓在(V_S = 5V)時(shí)，典型值為2.5V。AGND的輸入電壓范圍和抑制比等特性也會(huì)影響放大器的性能，在設(shè)計(jì)時(shí)需要合理處理AGND引腳的連接。
• 電源抑制比（PSRR）：在(V_S = 2.7V)至±5V的范圍內(nèi)，PSRR的典型值為80dB，這表明放大器對電源波動(dòng)具有較好的抑制能力。
• 壓擺率：在(VS = 5V)，(V{OUTA} = V_{OUTB} = 1.1V)至3.9V時(shí)，壓擺率為12V/μs；在(VS = ±5V)，(V{OUTA} = V_{OUTB} = ±1.4V)時(shí)，為16V/μs。壓擺率反映了放大器對快速變化信號(hào)的響應(yīng)能力。

四、引腳功能解析

1. INA（引腳1）和INB（引腳3）：模擬輸入

這兩個(gè)引腳分別是A通道和B通道的模擬輸入引腳。輸入信號(hào)是引腳與AGND引腳之間的電壓差。在單位增益時(shí)，輸入電阻約為10kΩ，輸入電壓范圍為軌到軌。隨著增益的增加，輸入電阻會(huì)降低，線性輸入范圍也會(huì)相應(yīng)減小。在“零”增益狀態(tài)下，輸入引腳呈現(xiàn)高阻抗，輸出不受輸入影響，被強(qiáng)制為AGND電位。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，需要考慮放大器的輸入電阻及其變化，避免因信號(hào)源輸出電阻與放大器輸入電阻形成分壓而導(dǎo)致增益誤差。

2. AGND（引腳2）：模擬地

AGND引腳是內(nèi)部電阻分壓器的中點(diǎn)，提供了一個(gè)參考電壓，也是INA、INB、OUTA和OUTB引腳的接地參考電壓。在不同的電源供電方式下，AGND引腳的連接方式有所不同。在單電源應(yīng)用中，AGND引腳應(yīng)通過至少1μF的高質(zhì)量電容器旁路到系統(tǒng)信號(hào)地(V^{-})；在對稱雙電源應(yīng)用中，AGND引腳可以直接連接到系統(tǒng)地；在不對稱雙電源應(yīng)用中，AGND引腳開路并通過電容器旁路可以提供一個(gè)與兩個(gè)電源軌等距的參考電壓。在對噪聲敏感的應(yīng)用中，需要對AGND引腳進(jìn)行交流旁路，以防止內(nèi)部電壓分壓器電阻的熱噪聲進(jìn)入信號(hào)路徑，降低信噪比。

3. G0、G1、G2（引腳4、5、6）：CMOS電平數(shù)字增益控制輸入

這三個(gè)引腳用于控制兩個(gè)通道的電壓增益設(shè)置，G2是最高有效位（MSB），G0是最低有效位（LSB）。每個(gè)通道的增益不能獨(dú)立設(shè)置。邏輯輸入引腳允許在(V^{-})到(V^{-}+10.5V)的范圍內(nèi)擺動(dòng)，只要邏輯電平滿足電氣特性表中的要求即可。這些引腳是高阻抗的CMOS邏輯輸入，但有小的下拉電流源（<10μA），如果邏輯輸入外部懸空，會(huì)將兩個(gè)通道強(qiáng)制進(jìn)入“零”增益狀態(tài)。數(shù)字邏輯沒有速度限制，因?yàn)樗菬o記憶的，比模擬信號(hào)路徑快得多。

4. (V^{-})、(V^{+})（引腳7、9）：電源供應(yīng)引腳

(V^{+})和(V^{-})引腳應(yīng)通過0.1μF的電容器旁路到合適的模擬接地平面，使用盡可能短的布線。為了實(shí)現(xiàn)LTC6911-X的高動(dòng)態(tài)范圍，需要干凈的電源和低阻抗的接地。建議使用低噪聲線性電源，開關(guān)電源需要特別注意防止開關(guān)噪聲耦合到信號(hào)路徑中，降低動(dòng)態(tài)范圍。

5. OUTA（引腳10）和OUTB（引腳8）：模擬輸出

這兩個(gè)引腳分別是A通道和B通道的模擬輸出引腳，輸出可以在軌到軌((V^{+})到(V^{-}))范圍內(nèi)擺動(dòng)。內(nèi)部運(yùn)算放大器在所有增益設(shè)置下都保持活躍，包括“零”增益設(shè)置。為了獲得最佳性能，應(yīng)盡量輕載輸出，以最小化信號(hào)失真和增益誤差。輸出可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)50pF的電容負(fù)載，對于更高的電容負(fù)載，應(yīng)使用串聯(lián)電阻進(jìn)行隔離，以保持交流穩(wěn)定性。

五、使用注意事項(xiàng)

1. 數(shù)字控制方面

邏輯輸入電平應(yīng)滿足電氣特性表中的要求，避免使用TTL邏輯電平直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字輸入。在使用TTL邏輯源時(shí)，需要使用合適的上拉電阻將其適配到(V^{+})，同時(shí)要考慮內(nèi)部下拉電流源的影響。

2. 時(shí)序約束方面

雖然CMOS增益控制邏輯的建立時(shí)間通常只有幾納秒，比模擬信號(hào)路徑快，但在改變放大器增益時(shí)，由于模擬輸出需要一定時(shí)間來響應(yīng)數(shù)字輸入的變化，因此增益變化速度不能太快，否則會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)混亂?？梢詤⒖嫉湫托阅芴匦灾械?-3dB BW與增益設(shè)置圖來了解放大器的響應(yīng)時(shí)間。

3. 失調(diào)電壓方面

電氣特性表中列出了兩種增益配置下的直流增益相關(guān)電壓失調(diào)誤差，輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓(V{OS(IN)})與內(nèi)部放大器輸入電壓失調(diào)(V{OS(OA)})和編程增益G有關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的增益設(shè)置和(V_{OS(OA)})來推斷輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓。

4. 交流耦合操作方面

在INA和INB引腳串聯(lián)電容器可以將LTC6911-X轉(zhuǎn)換為雙交流耦合反相放大器，抑制輸入信號(hào)的直流電平并減少放大器自身的失調(diào)電壓。但需要注意的是，在“零”增益模式下，由于INA和INB引腳開路，可能會(huì)導(dǎo)致引腳電壓漂移到電源軌電位，因此應(yīng)避免在“零”增益狀態(tài)下使用交流耦合電容輸入AC信號(hào)。在從“零”增益切換到非零增益時(shí)，會(huì)在輸出端產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)脈沖，其時(shí)間常數(shù)由電容值和新的放大器輸入電阻值決定。

5. SNR和動(dòng)態(tài)范圍方面

在LTC6911-X中，最大輸出信號(hào)與增益無關(guān)，接近電源電壓的全范圍。最大輸入電平隨增益增加而降低，輸入?yún)⒖荚肼曇矔?huì)降低。動(dòng)態(tài)范圍（DR）定義為最大輸入（單位增益時(shí)）與最小輸入?yún)⒖荚肼暎ㄗ畲笤鲆鏁r(shí)）的比值，在10V總電源下，DR通常為120dB。放大器的信噪比（SNR）是輸入電平與輸入?yún)⒖荚肼暤谋戎担趩挝辉鲆鏁r(shí)，LTC6911系列的SNR可以達(dá)到110dB。

6. 構(gòu)建和儀器注意事項(xiàng)方面

為了實(shí)現(xiàn)LTC6911系列雙放大器的全動(dòng)態(tài)范圍，需要進(jìn)行電氣清潔的構(gòu)建。AGND引腳必須進(jìn)行交流旁路或直接連接到低阻抗接地回線，以確保良好的通道間隔離。使用靠近芯片的0.1μF高質(zhì)量電源旁路電容器可以提供良好的去耦效果。印刷電路板應(yīng)緊湊、布局合理，具有良好的接地平面，以減少失真和提高通道隔離度。在測量放大器性能時(shí)，應(yīng)檢查測量設(shè)備本身是否會(huì)引入失真或噪聲，可通過將INA到OUTA和INB到OUTB進(jìn)行短路連接來檢查測量設(shè)備的極限。

六、典型應(yīng)用案例

1. 擴(kuò)展ADC的動(dòng)態(tài)范圍

將LTC6911-X可編程放大器與LTC1865 ADC結(jié)合使用，可以擴(kuò)展ADC的輸入幅度范圍。在圖5所示的2通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，LTC6911-1可以在相同的5V單電源下將ADC的輸入幅度范圍擴(kuò)展40dB。通過499Ω電阻和270pF電容的耦合，可以實(shí)現(xiàn)LTC6911-X輸出與LTC1865開關(guān)電容輸入之間的干凈連接。

2. 全差分放大器

將LTC6911-1/LTC6911-2與LTC1992系列結(jié)合使用，可以構(gòu)建具有數(shù)字可編程增益的全差分放大器，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍和高共模抑制比（CMRR）。

七、總結(jié)

LTC6911-1/LTC6911-2作為一款低噪聲數(shù)字可編程增益放大器，具有靈活的增益控制、雙匹配放大器、寬輸入輸出范圍、電源適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)增益改變、自動(dòng)量程電路和自動(dòng)增益控制等多種應(yīng)用場景。在使用過程中，需要注意數(shù)字控制、時(shí)序約束、失調(diào)電壓、交流耦合操作、SNR和動(dòng)態(tài)范圍以及構(gòu)建和儀器等方面的問題，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時(shí)，結(jié)合典型應(yīng)用案例，我們可以更好地將其應(yīng)用到實(shí)際的電子設(shè)計(jì)中。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過類似放大器的使用難題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。