基于數(shù)字可編程增益儀表放大器AD8250實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

AD8250（G＝1、2、5或10）數(shù)字可編程增益儀表放大器（PGIA）采用最新工藝和新的電路技術(shù)以減小尺寸并且提高數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制應(yīng)用的性能。其軟件增益控制允許設(shè)計(jì)工程師簡(jiǎn)單地設(shè)置其精密模擬前端。AD8250通過(guò)集成匹配電阻、開(kāi)關(guān)以及運(yùn)算放大器，減少了器件數(shù)量。這款產(chǎn)品具有快速建立時(shí)間、低失真以及低噪聲，從而使其成為驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的理想放大器，而無(wú)需額外的緩存器，從而進(jìn)一步減少了所需器件的數(shù)量。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般與具有在1 mV～±10 V之間變化的滿量程輸出信號(hào)的各種傳感器連接。這些傳感器也具有多種輸出阻抗，因此數(shù)據(jù)采集前端必須提供高輸入阻抗以避免負(fù)載誤差。儀表放大器通常用于調(diào)理來(lái)自傳感器的差分信號(hào)。然而，由于信號(hào)大小變化較大，因此需要許多不同的增益。AD8250適合于解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所面臨的四大難題， 最大程度地提高ADC的性能；提供對(duì)模擬信號(hào)調(diào)理的數(shù)字控制；占用更小的PCB面積；并且降低成本。

四大設(shè)計(jì)難題的解決

第一個(gè)難題是在不降低ADC性能的情況下提供信號(hào)調(diào)理。當(dāng)今最新的ADC具有非常高的信噪比（SNR），例如16位ADC通?？商峁?0 dB的SNR。前端應(yīng)提供共模抑制和增益。此外，其輸出必須在ADC的采集時(shí)間內(nèi)建立。

第二個(gè)難題是設(shè)計(jì)增益可編程模擬信號(hào)調(diào)理電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有多種軟件控制功能。最方便的產(chǎn)品應(yīng)具有數(shù)字控制模擬前端。當(dāng)前，設(shè)計(jì)工程師必須設(shè)計(jì)他們自己的解決方案，因?yàn)楝F(xiàn)有的混合信號(hào)解決方案并不能提供令人滿意的模擬性能。AD8250基于ADI公司專有技術(shù)雙極性CMOS工藝的iCMOS技術(shù)，它通過(guò)在魯棒的高壓數(shù)字邏輯電路中集成精密線性器件解決該難題。AD8250允許設(shè)計(jì)工程師使用軟件設(shè)置增益。另外，不使用FPGA或微控制器設(shè)置增益的設(shè)計(jì)工程師也可以選擇將增益引腳連接到電源電壓上，電源電壓最高達(dá)+15 V。其靈活的增益設(shè)置接口允許PGIA用于不同的電路拓?fù)洹?/p>

設(shè)計(jì)工程師面臨的第三個(gè)難題是將電路固定在更小的PCB板內(nèi)。AD8250采用10引腳MSOP封裝，這種封裝面積大約是8引腳SOIC封裝的1/2，并且比現(xiàn)有解決方案減少了90％以上。更小的封裝面積意味著可以在PCB上放置更多的器件，從而允許設(shè)計(jì)工程師為其產(chǎn)品增加額外的數(shù)據(jù)通道。

第四個(gè)難題是降低成本。雖然數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的主要目標(biāo)是提高系統(tǒng)性能，但降低總成本也不容忽視。這些成本包括花費(fèi)在產(chǎn)品研發(fā)上的時(shí)間和金錢到維持最終產(chǎn)品中的元器件總數(shù)。數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)工程師通過(guò)設(shè)計(jì)可以共享同一平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以重復(fù)利用能夠工作的系統(tǒng)器件，從而降低器件成本。通過(guò)重復(fù)利用已有模塊，設(shè)計(jì)工程師節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。AD8250之后還有AD8251（增益為1、2、4或8）和AD8253（增益為1、10、100或1000）兩種同系列產(chǎn)品，這有助于解決上述難題。所有這三款產(chǎn)品都引腳兼容。設(shè)計(jì)工程師可以將AD8250用于需要低增益的產(chǎn)品，而將AD8253用于需要更高增益同時(shí)使用相同ADC和邏輯電路的其它產(chǎn)品。它們可以減少器件目錄成本并且通過(guò)最大程度減少所使用的不同器件數(shù)量提高購(gòu)買能力。

三項(xiàng)主要技術(shù)

AD8250采用了三項(xiàng)主要技術(shù)。第一項(xiàng)技術(shù)是能夠達(dá)到-110 dB總諧波失真（THD）的失真消除電路。不同于為達(dá)到同樣級(jí)別THD但消耗10mA以上電流的放大器，該器件僅消耗4mA電源電流即可達(dá)到該指標(biāo)。功率節(jié)省非常有用，特別對(duì)于將許多器件封裝在超小面積中而沒(méi)有風(fēng)扇制冷的超小PCMCIA數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。除了低失真外，AD8250能夠在615ns內(nèi)達(dá)到16位的分辨率。其20 V/μs的轉(zhuǎn)換率適合于使用多路復(fù)用器-切換通道的應(yīng)用。AD8250通過(guò)使用并行端口可在小于375 ns內(nèi)切換增益。

第二項(xiàng)技術(shù)是開(kāi)關(guān)型、內(nèi)部匹配并且經(jīng)激光調(diào)整的電阻。在過(guò)去，設(shè)計(jì)工程師通過(guò)使用外部精密電阻和開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)他們自己的可設(shè)置增益放大器。匹配電阻非常昂貴，每陣列花費(fèi)15美元以上，但匹配電阻是維持高共模抑制（CMR）和低增益漂移所必需的。用于選擇不同增益設(shè)置電阻的開(kāi)關(guān)會(huì)隨著溫度的升高而增加誤差。此外，開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生降低隨頻率變化的CMR的寄生電容。相比之下，AD8250集成了經(jīng)激光調(diào)整的內(nèi)部電阻和可以減小開(kāi)關(guān)寄生電容影響的電路拓?fù)?，從而允許其在50kHz內(nèi)達(dá)到90 dB的CMR（G＝10）。該技術(shù)解決了設(shè)計(jì)PGIA的難題并且提高了性能。第三項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)是精心的設(shè)計(jì)使這款放大器易于使用。例如，保持帶寬在大部分增益（G＝1、2或5）內(nèi)恒定不變。雖然AD8250是一款電壓反饋儀表放大器，但其為每種增益使用了傳統(tǒng)的內(nèi)部補(bǔ)償電容器。因此，設(shè)計(jì)工程師希望為幾種增益維持10MHz的帶寬。

圖1：AD825X DAQ演示板的簡(jiǎn)化原理圖。

圖1所示是AD825x DAQ演示板中AD8250的電氣原理圖。這是一個(gè)僅使用少量IC的高性能數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)實(shí)例。ADG1209用于為AD8250增加四個(gè)差分通道。ADG1209具有低輸入電容，從而使其適合于快速多路技術(shù)。AD8250可直接驅(qū)動(dòng)AD7612，這是一款750 kSPS采樣率的16位ADC。AD7612具有可以采樣±10V信號(hào)的開(kāi)關(guān)電容輸入。相反，如果使用+5V ADC，由于許多工業(yè)信號(hào)是±10V，則需要降壓。ADR435可為AD7612提供參考電壓。1 nF的電容器與49.9 ？？？阻器為AD7612構(gòu)成反鋸齒濾波器。49.9 Ω的串行電阻器可以減小來(lái)自放大器1 nF負(fù)載的負(fù)擔(dān)并且將其與來(lái)自AD7612開(kāi)關(guān)電容器輸入影響不好的電流注入隔離。FPGA可控制ADC、PGIA和MUX。請(qǐng)注意所有這三種混合信號(hào)器件都基于iCMOS工藝構(gòu)建。圖2所示是使用該演示板調(diào)理1kHz信號(hào)的軟件快速傅立葉變換（FFT）的結(jié)果?？傊C波失真是-111 dB，信噪比是91 dB。圖3所示是AD825X DAQ演示板的圖片。

圖2：AD825X DAQ演示板對(duì)1 kHz信號(hào)的快速傅立葉變換結(jié)果。

圖3：AD825X DAQ演示板照片。

進(jìn)一步提高集成度、減小尺寸并且實(shí)現(xiàn)智能化的市場(chǎng)趨勢(shì)造就了對(duì)AD8250系列的需要。iCMOS等工藝的發(fā)展、失真消除電路等電路的改進(jìn)以及對(duì)放大器應(yīng)該簡(jiǎn)化使用的理解共同推動(dòng)了這種可編程增益儀表放大器的發(fā)展。

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