Перейти к содержанию

Программируемый усилитель (PGA)

Программируемый усилитель (PGA) стоит перед АЦП и позволяет программно выбирать диапазон входа: узкий — для слабых сигналов с мелким шагом кода, широкий — для больших напряжений. Такие усилители есть в ADS1115, INA219 и многих датчиках.

Обновлено Редакция GAW

Программируемый усилитель (programmable gain amplifier, PGA) — усилитель с переключаемым коэффициентом усиления, который стоит перед АЦП. Коэффициент выбирают битами в регистре, и вместе с ним меняется диапазон входного напряжения, на который приходится вся шкала АЦП.

Пример — 16-битный АЦП ADS1115 по даташиту TI. Шаг кода — диапазон, делённый на 215:

Диапазон PGAШаг кодаВходное сопротивление (дифф.)
±6,144 В187,5 мкВ22 МОм
±2,048 В62,5 мкВ4,9 МОм
±0,256 В7,8125 мкВ710 кОм

Узкий диапазон нужен для слабых сигналов — термопар после усилителя, тензомостов, шунтов: сигнал занимает всю шкалу, и младший разряд становится мелким. Широкий — для напряжений в вольты. Но диапазон — только масштаб: на входы ADS1115 нельзя подавать больше напряжения питания плюс 0,3 В, какой бы диапазон ни был выбран.

У монитора тока INA219 PGA стоит на входе шунта и работает наоборот — делит: базовый диапазон ±40 мВ расширяется делением на 2, 4 или 8 до ±320 мВ. Выбор зависит от того, какое напряжение падает на шунте при максимальном токе, — расчёт в карточке INA219 и INA226.

Платой за усиление бывает падение входного сопротивления и рост влияния шума и смещения источника, поэтому высокоомные датчики подключают через буфер на операционном усилителе. Подробнее о диапазонах и шуме ADS1115 — в карточке ADS1115 и MCP3008.

Частые вопросы

Зачем нужен PGA, если АЦП 16-битный?

Чтобы использовать разрешение для слабого сигнала. Напряжение термопары или шунта — милливольты, и на диапазоне ±6,144 В оно займёт всего десятки кодов. Усилитель растягивает его на всю шкалу: у ADS1115 на диапазоне ±0,256 В шаг — 7,8 мкВ вместо 187,5 мкВ.

Можно ли с PGA измерить напряжение больше питания?

Нет. Диапазон PGA — масштаб АЦП, а не допустимое напряжение на входе. TI для ADS1115 прямо запрещает подавать на входы больше VDD + 0,3 В, даже на диапазоне ±6,144 В.

Почему на большом усилении падает входное сопротивление?

Это видно из таблицы TI: у ADS1115 дифференциальное входное сопротивление — 22 МОм на диапазоне ±6,144 В и 710 кОм на ±0,256 В. Источник с большим сопротивлением на высоком усилении внесёт ошибку, поэтому его буферизуют.

Источники

  1. Texas Instruments. ADS111x Ultra-Small, Low-Power, I2C-Compatible, 860SPS, 16-Bit ADCs (SBAS444E, revised December 2024) — разд. 5.5 и табл. 6-1: диапазоны PGA от ±0,256 до ±6,144 В, шаг кода от 7,8125 до 187,5 мкВ; дифференциальное входное сопротивление от 22 МОм на ±6,144 В до 710 кОм на ±0,512 и ±0,256 В; вход не выше VDD + 0,3 В при любом диапазоне
  2. Texas Instruments. INA219 Zerø-Drift, Bidirectional Current/Power Monitor With I2C Interface (SBOS448G, revised December 2015) — разд. 8.3.1.2: PGA на входе шунта — диапазон ±40 мВ с делением на 2, 4 и 8 до ±320 мВ; биты PG в регистре конфигурации

Нашли ошибку?

Смотрите также