可編程增益儀表放大器：尋找合適的器件

　　簡(jiǎn)介

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)在許多行業(yè)應(yīng)用廣泛，例如研究、分析、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、制造和測(cè)試等。這些系統(tǒng)與各種傳感器接口，從而給前端設(shè)計(jì)帶來(lái)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(fù)載傳感器，同時(shí)還要連接針對(duì)10 V輸出而預(yù)調(diào)理的傳感器。只有一個(gè)增益時(shí)，系統(tǒng)需要具有非常高的分辨率來(lái)檢測(cè)兩個(gè)輸入。即便如此，在最低輸入時(shí)信噪比(SNR)也會(huì)受影響。

　　在這些應(yīng)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(yīng)各種傳感器接口的靈敏度，同時(shí)優(yōu)化SNR。集成PGIA可實(shí)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(shì)。文中還會(huì)討論相關(guān)限制，以及為滿足特定要求而構(gòu)建分立PGIA時(shí)應(yīng)遵循的指導(dǎo)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(shè)計(jì)時(shí)間更短、尺寸更小的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字可調(diào)增益通過(guò)內(nèi)部精密電阻陣列實(shí)現(xiàn)。為了優(yōu)化增益、CMRR和失調(diào)，可以對(duì)這些電阻陣列進(jìn)行片內(nèi)調(diào)整，從而獲得良好的整體直流性能。還可以運(yùn)用設(shè)計(jì)技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)緊湊的IC布局，使寄生效應(yīng)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(diǎn)，如果有符合設(shè)計(jì)要求的PGIA，強(qiáng)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(guān)鍵規(guī)格。

　　PGIA的選擇取決于應(yīng)用。AD825x由于具有快速建立時(shí)間和高壓擺率，在多路復(fù)用系統(tǒng)中非常有用。AD8231和LTC6915采用零漂移架構(gòu)，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(fù)用器、PGIA和ADC以形成完整的DAQ解決方案。實(shí)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(hào)源的規(guī)格。AD7124-8針對(duì)需要極高精度的慢速應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如溫度和壓力測(cè)量。ADAS3022和ADAS3023適用于相對(duì)較高帶寬的應(yīng)用，例如過(guò)程控制或電力線監(jiān)控，但其功耗高于AD7124-8。

　　實(shí)現(xiàn)分立PGIA

　　一些系統(tǒng)可能有一兩個(gè)規(guī)格是上述集成器件無(wú)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(gòu)建自己的PGIA：

• 　　? 需要更高帶寬的多路復(fù)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(shè)計(jì)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(gè)多路復(fù)用器來(lái)切換增益電阻以改變?cè)鲆妗?/p>

　　圖1.AD8421和用于切換增益的多路復(fù)用器

　　在這種配置中，多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻實(shí)際上與增益電阻串聯(lián)。該導(dǎo)通電阻隨漏極上的電壓而改變，這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題。圖2取自ADG1208數(shù)據(jù)手冊(cè)，展示了這種關(guān)系。

　　圖2.ADG1208的導(dǎo)通電阻與漏極電壓的關(guān)系

　　導(dǎo)通電阻和增益電阻的串聯(lián)組合導(dǎo)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(duì)于ADG1208，當(dāng)源極或漏極電壓改變±15 V時(shí)，導(dǎo)通電阻變化幅度高達(dá)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(dǎo)通電阻甚至可能變得與增益電阻相當(dāng)。

　　或者，可以使用低導(dǎo)通電阻的多路復(fù)用器來(lái)降低這種影響，但相應(yīng)的代價(jià)是輸入電容會(huì)更高。表3通過(guò)比較ADG1208和ADG1408說(shuō)明了這一點(diǎn)。

　　表3.多路復(fù)用器中導(dǎo)通電阻與電容的權(quán)衡

　　開(kāi)關(guān)的輸入電容會(huì)導(dǎo)致圖1所示配置產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槿魏谓o定三引腳運(yùn)放儀表放大器上的RG引腳都對(duì)電容非常敏感。開(kāi)關(guān)電容可能導(dǎo)致該電路出現(xiàn)峰化或不穩(wěn)定。更大的問(wèn)題是RG引腳上的電容不平衡導(dǎo)致交流共模抑制比(CMRR)降低，而CMRR是儀表放大器的一項(xiàng)關(guān)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(fù)用器時(shí)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(kāi)關(guān)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(guò)平衡電阻并將開(kāi)關(guān)元件放置在兩個(gè)電阻之間來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。在這種情況下，由于開(kāi)關(guān)兩端固有的電容不平衡，多路復(fù)用器不起作用。此外，由于多路復(fù)用器的漏極短接在一起，RG引腳的一側(cè)只能使用一個(gè)電阻，這仍然會(huì)導(dǎo)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(kāi)關(guān)，例如ADG5412F。除了開(kāi)關(guān)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(fù)用器與使用四通道SPST開(kāi)關(guān)兩種情況下的交流CMRR。

　　圖5.SPST開(kāi)關(guān)與多路復(fù)用器配置兩種情況下的CMRR仿真