使用儀表放大器獲得多個增益范圍

Scott Hunt

為了在精密傳感器測量中最大化動態(tài)范圍，可能需要使用可編程增益儀表放大器（PGIA）。因?yàn)榇蠖鄶?shù)儀表放大器（儀表放大器）使用外部增益電阻（RG）來設(shè)置增益，似乎可以使用一組多路復(fù)用增益電阻來實(shí)現(xiàn)所需的編程增益。雖然這是可能的，但在以這種方式使用固態(tài)多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之前，需要考慮三個主要問題：電源和信號電壓限制、開關(guān)電容和導(dǎo)通電阻。

圖1.AD8421 PGIA，內(nèi)置多路復(fù)用器。

保持在信號范圍內(nèi)

固態(tài)CMOS開關(guān)需要電源。當(dāng)源極或漏極電壓超過電源電壓時，故障電流可能會流動并導(dǎo)致輸出不正確。每個R處的電壓G引腳通常位于相應(yīng)輸入端電壓的二極管壓降內(nèi);因此，開關(guān)的信號電壓范圍必須大于儀表放大器的輸入范圍。

考慮電容

開關(guān)電容類似于將電容器掛在其中一個R上G引腳并離開另一個 RG單獨(dú)別針。足夠大的電容可能會導(dǎo)致峰值或不穩(wěn)定，但更容易被忽視的問題是對共模抑制比的影響。在電路板布局中，接地層通常從R下方移除G引腳，因?yàn)殡娙莶黄胶庑∮? pF會大大降低交流CMRR。開關(guān)電容可達(dá)數(shù)十皮法，導(dǎo)致誤差較大。采用具有完美CMRR的儀表放大器的簡單案例，沒有RG存在，電容僅為 1 RG引腳，由于電容引起的CMRR可以近似為：

例如，如果內(nèi)部反饋電阻，RF = 25 kΩ，而CRG= 10 pF，10 kHz 時的 CMRR 僅為 36 dB。建議使用低電容開關(guān)或平衡開關(guān)架構(gòu)，如圖2所示，采用單刀單刀單擲開關(guān)。

關(guān)于抵抗

最后，開關(guān)的導(dǎo)通電阻根據(jù)儀表放大器的增益公式直接影響增益。如果導(dǎo)通電阻足夠低，仍然可以實(shí)現(xiàn)所需的增益，這可能沒問題。但是，開關(guān)的導(dǎo)通電阻隨漏極電壓而變化，指定為 R-平坦（開）.開關(guān)電阻的變化既會產(chǎn)生增益對共模電壓的依賴性，又會產(chǎn)生增益非線性效應(yīng)。例如，使用 RG1 kΩ 和 10 Ω R 的開關(guān)平坦（開），在共模范圍內(nèi)將有1%的增益不確定性。其中一部分將轉(zhuǎn)換為差分信號（例如，2 Ω的變化將是2000 ppm的非線性）。這表明使用低導(dǎo)通電阻開關(guān)，這與低電容開關(guān)的建議相反，因?yàn)榇?a target="_blank">晶體管器件尺寸可實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，而小晶體管可實(shí)現(xiàn)低電容。ADG5412F故障保護(hù)、四通道SPST開關(guān)在許多情況下都能提供良好的解決方案。這些故障保護(hù)開關(guān)的架構(gòu)允許它們提供 10 Ω 導(dǎo)通電阻，在整個信號范圍內(nèi)非常平坦，關(guān)斷電容僅為 12 pF。

圖2.平衡PGIA，采用ADG5412F四通道單刀單刀單擲器和AD8421。

確認(rèn)替代方案

如果這些電路不符合設(shè)計(jì)要求，還有其他方法可以實(shí)現(xiàn)可編程增益儀表放大器功能。如果有合適的綜合PGIA，強(qiáng)烈建議選擇集成PGIA。與分立式解決方案相比，集成PGIA專為高性能而設(shè)計(jì)，具有更小的尺寸和更少的寄生效應(yīng)，規(guī)格包括內(nèi)部開關(guān)的影響。集成PGIA的一些很好的例子是AD8231、AD8250/AD8251/AD8253和LTC6915。此外，還有一些集成度更高的解決方案包含此功能，例如AD7124-8和ADAS3022。

結(jié)論

儀表放大器是高精度元件，在硅級盡可能平衡，以抑制共模。使用固態(tài)開關(guān)可以構(gòu)建可編程增益儀表放大器，但也很容易擺脫定義儀表放大器的平衡并降低電路精度。需要考慮開關(guān)的非理想影響，以便做出必要的權(quán)衡。平衡開關(guān)架構(gòu)和ADG5412F等現(xiàn)代開關(guān)是優(yōu)化這些設(shè)計(jì)的絕佳工具。建議使用集成PGIA，因?yàn)橐?guī)格中已經(jīng)包含開關(guān)的影響。

審核編輯：郭婷