可編程增益儀表放大器：尋找合適的器件

　　簡介

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)在許多行業(yè)應用廣泛，例如研究、分析、設計驗證、制造和測試等。這些系統(tǒng)與各種傳感器接口，從而給前端設計帶來挑戰(zhàn)。必須考慮不同傳感器的靈敏度，例如，系統(tǒng)可能需要連接最大輸出為10 mV和靈敏度為微伏以下的負載傳感器，同時還要連接針對10 V輸出而預調理的傳感器。只有一個增益時，系統(tǒng)需要具有非常高的分辨率來檢測兩個輸入。即便如此，在最低輸入時信噪比(SNR)也會受影響。

　　在這些應用中，可編程增益儀表放大器(PGIA)是適合前端的解決方案，可適應各種傳感器接口的靈敏度，同時優(yōu)化SNR。集成PGIA可實現(xiàn)良好的直流和交流規(guī)格。本文討論各種集成PGIA及其優(yōu)勢。文中還會討論相關限制，以及為滿足特定要求而構建分立PGIA時應遵循的指導原則。

　　集成PGIA

　　ADI公司的產(chǎn)品系列中有許多集成PGIA。集成PGIA具有設計時間更短、尺寸更小的優(yōu)勢。數(shù)字可調增益通過內(nèi)部精密電阻陣列實現(xiàn)。為了優(yōu)化增益、CMRR和失調，可以對這些電阻陣列進行片內(nèi)調整，從而獲得良好的整體直流性能。還可以運用設計技巧來實現(xiàn)緊湊的IC布局，使寄生效應最小，并提供出色的匹配，產(chǎn)生良好的交流性能。由于這些優(yōu)點，如果有符合設計要求的PGIA，強烈建議選擇這樣的器件。表1列出了可用的集成PGIA以及一些關鍵規(guī)格。

　　PGIA的選擇取決于應用。AD825x由于具有快速建立時間和高壓擺率，在多路復用系統(tǒng)中非常有用。AD8231和LTC6915采用零漂移架構，適用于需要在很寬溫度范圍內(nèi)提供精度性能的系統(tǒng)。

　　表1.可編程增益儀表放大器規(guī)格

　　表2.DAQ系統(tǒng)規(guī)格

　　還有許多器件集成多路復用器、PGIA和ADC以形成完整的DAQ解決方案。實例有ADAS3022、ADAS3023和AD7124-8。

　　這些解決方案的選擇主要取決于輸入信號源的規(guī)格。AD7124-8針對需要極高精度的慢速應用而設計，例如溫度和壓力測量。ADAS3022和ADAS3023適用于相對較高帶寬的應用，例如過程控制或電力線監(jiān)控，但其功耗高于AD7124-8。

　　實現(xiàn)分立PGIA

　　一些系統(tǒng)可能有一兩個規(guī)格是上述集成器件無法滿足的。通常，若存在以下要求，則用戶需要利用分立器件構建自己的PGIA：

• 　　? 需要更高帶寬的多路復用系統(tǒng)，掃描速率非常高

• 　　? 超低功耗

• 　　? 系統(tǒng)需要定制的增益或衰減

• 　　? 高阻抗傳感器的低輸入偏置電流

• 　　? 極低噪聲

　　設計分立PGIA常用的方法之一是使用具有所需輸入特性的儀表放大器，例如低噪聲AD8421，并搭配一個多路復用器來切換增益電阻以改變增益。

　　圖1.AD8421和用于切換增益的多路復用器

　　在這種配置中，多路復用器的導通電阻實際上與增益電阻串聯(lián)。該導通電阻隨漏極上的電壓而改變，這就帶來一個問題。圖2取自ADG1208數(shù)據(jù)手冊，展示了這種關系。

　　圖2.ADG1208的導通電阻與漏極電壓的關系

　　導通電阻和增益電阻的串聯(lián)組合導致增益出現(xiàn)非線性誤差。這意味著增益將隨共模電壓而變化，這是很不好的。例如，AD8421需要1.1 kΩ的增益電阻以獲得10倍增益。對于ADG1208，當源極或漏極電壓改變±15 V時，導通電阻變化幅度高達40Ω，由此產(chǎn)生的增益非線性誤差約為3%。若增益更大，該誤差將變得更加明顯，導通電阻甚至可能變得與增益電阻相當。

　　或者，可以使用低導通電阻的多路復用器來降低這種影響，但相應的代價是輸入電容會更高。表3通過比較ADG1208和ADG1408說明了這一點。

　　表3.多路復用器中導通電阻與電容的權衡

　　開關的輸入電容會導致圖1所示配置產(chǎn)生另一個問題，因為任何給定三引腳運放儀表放大器上的RG引腳都對電容非常敏感。開關電容可能導致該電路出現(xiàn)峰化或不穩(wěn)定。更大的問題是RG引腳上的電容不平衡導致交流共模抑制比(CMRR)降低，而CMRR是儀表放大器的一項關鍵規(guī)格。圖3中的仿真圖顯示了AD8421的增益引腳上使用不同多路復用器時CMRR的降低情況。該圖清楚地表明，隨著電容的增加，CMRR降幅更大。

　　圖3.使用不同開關得到的仿真CMRR

　　為了減小交流CMRR降幅，最好的解決方案是確保RG引腳具有相同的阻抗。這可以通過平衡電阻并將開關元件放置在兩個電阻之間來實現(xiàn)，如圖4所示。在這種情況下，由于開關兩端固有的電容不平衡，多路復用器不起作用。此外，由于多路復用器的漏極短接在一起，RG引腳的一側只能使用一個電阻，這仍然會導致不平衡。

　　圖4.使用平衡配置的分立PGIA

　　在這種情況下，建議使用四通道SPST開關，例如ADG5412F。除了開關支持靈活地使用平衡電阻之外，漏極和源極的電容也是平衡的，CMRR降幅因此減小。圖5比較了AD8421的增益引腳上使用多路復用器與使用四通道SPST開關兩種情況下的交流CMRR。

　　圖5.SPST開關與多路復用器配置兩種情況下的CMRR仿真