VGA/PGA en ADC?

Ciertos dispositivos tales como ADCs tienen incoporados amplificadores tales como " Amplificador de ganancia variable (VGA) o un Amplificador de ganancia programable (PGA)." tiene una ganancia que se controla mediante una tensión dc o mas comunmente con una entrada digital.

Para ello es común hacer que la ganancia en dB sea proporcional a un voltaje de control lineal. Estos amplificadores se pueden configurar para algunas ganancias "décadas", como 10,100,etc; o también pueden configurarce para ganancias binarias como 1,2,4,8,etc. 

Un Vga es usualmente localizado entre el sensor y su ADC. tal como se muestra:

Figura1-Ubicación común del Amplificador VGA. 

• Un VGA con ganancia de 1 a 2 en teoría aumenta el rango dinámico de 6dB.
• Un VGA con ganancia de 1 a 4 en teoría aumenta el rango dinámico de 12dB.

Si el LSB(Bit menos significativo) de un ADC es equivalente a 10 mV de voltaje de entrada, el ADC no puede detectar señales más pequeñas, pero cuando la ganancia del VGA aumenta a dos, las señales de entrada de 5 mV puede detectarce y así la señal puede ser digitalizada por el ADC . Por lo tanto, un procesador central puede combinar la información de ganancia VGA con la salida digital del ADC para aumentar su resolución . Esencialmente, esto es lo mismo que agregar una resolución adicional al ADC. De hecho, varios ADC ahora tienen VGA en el chip para aumentar el rango dinámico (por ejemplo, la serie AD77xx).

Diseños

En la figura2 se muestra una configuración básica realizada por resistencias y un opam. como es obvio el rendimiento o parámetros del VGA va a depender del voltaje, temperatura o también de capacitancia parásitas que afectan a las resistencias.

Figura2-Diseño básico de Amplificador VGA.

Según lo anterior es mejor un circuito que sean insencibles a las resistencias de encendido, en la figura 3 el switch se coloca en serie con la entrada inversora de un amplificador operacional, como la impedancia de entrada del OPAM es muy grande. el interruptor(resistencia de encendido Ron) ahora es irrelevante y la ganancia ahora está determinada unicamente por las resistencias externas. como se aprecia en la figura3 la resistencia de encendido(Ron) no está en serie con los resistores de configuración de ganancia, se produce un sesgo que fuye a través de los switches.   

Figura3-Configuración VGA minimizando el efectode las resistencias de encendido-ON.

PGA/VGA en AD7195

Cuando la etapa de ganancia esta habilitada, la salida del buffer se le aplica a la entrada del Amplificador de Ganancia Programable PGA.

La presencia del PGA significa que se pueden obtener señales de pequeña amplitud dentro del AD7195 mientras se mantiene un excelente rendimiento de ruido. Por ejemplo, cuando la ganancia se establece en 128, el ruido rms es de 8,5 nV, por lo general, cuando la velocidad de datos de salida es de 4,7 Hz, lo que equivale a 23 bits de resolución efectiva o 20,5 bits de resolución sin ruido

El AD7195 puede programarse para tener una ganancia de 1, 8, 16, 32, 64 y 128 utilizando el Bit G2 al Bit G0 en el registro de configuración. Por lo tanto, con una referencia externa de 2.5 V, los rangos unipolares son de 0 mV a 19.53 mV a 0 V a 2.5 V y los rangos bipolares son de ± 19.53 mV a ± 2.5 V.

El rango de entrada analógica debe limitarse a ± (AVDD - 1.25 V) / ganancia porque el PGA requiere cierto margen. Por lo tanto, si AVDD = 5 V, la entrada analógica máxima que se puede aplicar al AD7195 es de 0 a 3.75 V / ganancia en modo unipolar o ± 3.75 V / ganancia en modo bipolar.

Figura4-PGA en AD7195.

PGA/VGA en AD7730

La salida del amplificador de búfer se suma con la salida del DAC de desplazamiento de 6 bits antes de que se aplique a la entrada del Amplificador de ganancia programable en el chip (PGA). El PGA puede manejar cuatro rangos de entrada unipolar diferentes y cuatro rangos bipolares. Con el bit HIREF del registro de modo en 0 y una referencia de +2.5 V (o el bit HIREF a 1 y una referencia de +5 V), los rangos unipolares son de 0 mV a +10 mV, de 0 mV a +20 mV, de 0 mV a +40 mV y de 0 mV a +80 mV, mientras que los rangos bipolares son ± 10 mV, ± 20 mV, ± 40 mV y ± 80 mV. Estos son los rangos nominales que deben aparecer en la entrada del PGA en el chip.

Figura5-PGA en AD7730.

Conclusión

Ciertos ADC (como la serie de medidas AD77xx) han incorporado VGA y otros circuitos de acondicionamiento. El diseño de circuitos con estos dispositivos es mucho más sencillo, ya que no se necesita un VGA externo y su lógica de control. Además, todos los errores del VGA están incluidos en las especificaciones del ADC, lo que simplifica los cálculos de errores. La ganancia VGA se controla a través de la interfaz serial ADC común, y la configuración de ganancia se incluye en la conversión.

Esta combinación de ADC y VGA es muy potente y permite la realización de un sistema altamente preciso, con un mínimo de diseño de circuito. Como ejemplo, la Figura4 y Figura5 que son ADCs sigma-delta de medición que está optimizado para digitalizar salidas de puente de bajo voltaje directamente (hasta 10 mV de escala completa) a una resolución de código sin ruido superior a 16 bits, sin la necesidad de circuitos de acondicionamiento de señal externos en el caso de AD7730.

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