可編程增益儀表放大器：找到適合您的放大器

數(shù)據(jù)采集 （DAQ） 系統(tǒng)在許多行業(yè)中都有應(yīng)用，例如研究、分析、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、制造和測(cè)試。從本質(zhì)上講，這些系統(tǒng)與各種傳感器接口，這給前端帶來了挑戰(zhàn)。必須考慮不同的傳感器靈敏度，例如，系統(tǒng)可能需要與最大輸出為10 mV、靈敏度為亞微伏的負(fù)載傳感器接口，同時(shí)還要與預(yù)調(diào)節(jié)為10 V輸出的傳感器接口。對(duì)于單增益，系統(tǒng)需要具有非常高的分辨率來檢測(cè)兩個(gè)輸入。即便如此，在最低輸入端也會(huì)犧牲信噪比（SNR）。

在這些應(yīng)用中，可編程增益儀表放大器（PGIA）是前端的良好解決方案，可以適應(yīng)各種傳感器接口的靈敏度，同時(shí)優(yōu)化SNR。集成PGIA可用于實(shí)現(xiàn)良好的直流和交流規(guī)范。本文討論了各種集成PGIA以及使用它們的優(yōu)勢(shì)。還將討論限制，以及在嘗試滿足特定要求時(shí)構(gòu)建離散PGIA的指南。

綜合PGIA認(rèn)證

ADI在其產(chǎn)品組合中提供多種集成PGIA。集成PGIA具有更短的設(shè)計(jì)時(shí)間和更小的尺寸。數(shù)字可調(diào)增益通過內(nèi)部精密電阻陣列實(shí)現(xiàn)。可以對(duì)這些電阻陣列進(jìn)行片內(nèi)調(diào)整，以優(yōu)化增益、CMRR和失調(diào)，從而獲得良好的整體直流性能。設(shè)計(jì)技術(shù)也可用于緊湊的IC布局，以最大限度地減少寄生效應(yīng)，并提供出色的匹配，從而獲得良好的交流性能。由于這些優(yōu)點(diǎn)，如果有滿足設(shè)計(jì)要求的集成PGIA，則始終建議選擇集成PGIA。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具有快速建立時(shí)間和高壓擺率，因此在多路復(fù)用系統(tǒng)中非常有用。AD8231和LTC6915采用零漂移架構(gòu)，非常適合需要在很寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精密性能的系統(tǒng)。

還有許多 組 塊 解決 方案 集成 了 多 路 復(fù) 用 器、 PGIA 和 ADC， 以 形成 一個(gè) 完整 的 DAQ 解決 方案。例如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專為需要極高精度的較慢應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如溫度和壓力測(cè)量。ADAS3022和ADAS3023適用于帶寬相對(duì)較高的應(yīng)用，例如過程控制或電力線監(jiān)控。但是，與AD7124-8相比，它們確實(shí)消耗更多的功耗。

實(shí)現(xiàn)離散PGIA

某些系統(tǒng)可能需要滿足上述集成設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的一個(gè)或兩個(gè)規(guī)格。通常，以下要求要求用戶使用分立元件構(gòu)建自己的PGIA：

在需要更高帶寬的多路復(fù)用系統(tǒng)中具有非常高的掃描速率

超低功耗

系統(tǒng)中的自定義增益或衰減

低輸入偏置電流，適用于高阻抗傳感器

極低噪聲

設(shè)計(jì)分立PGIA時(shí)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AD8421的低噪聲，并配合多路復(fù)用器切換增益電阻以改變?cè)鲆妗?/p>

圖1.AD8421，帶多路復(fù)用器，用于切換增益。

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)。當(dāng)該導(dǎo)通電阻相對(duì)于漏極處存在的電壓發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。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)致增益非線性。這意味著增益將隨著共模電壓的變化而變化，這是不希望的。例如，AD8421需要1.1 kΩ的增益電阻，增益為10。對(duì)于ADG1208，導(dǎo)通電阻隨源極或漏極電壓變化±15 V而變化多達(dá)40 Ω。這導(dǎo)致增益非線性度約為3%。對(duì)于較大的增益，該誤差將變得更加明顯，導(dǎo)通電阻甚至可能開始與增益電阻相當(dāng)。

或者，可以使用具有低導(dǎo)通電阻的多路復(fù)用器來最小化這種影響，但這是以更高的輸入電容為代價(jià)的。表3通過對(duì)ADG1208和ADG1408的比較對(duì)此進(jìn)行了說明。

開關(guān)的輸入電容導(dǎo)致圖1中的配置中的另一個(gè)問題，因?yàn)镽G任何給定的三引腳運(yùn)算放大器儀表放大器上的引腳對(duì)電容非常敏感。開關(guān)的電容可能導(dǎo)致該電路出現(xiàn)峰值或不穩(wěn)定。更大的問題是R上的電容不平衡G引腳可降低交流共模抑制比（CMRR），而CMRR是儀表放大器的關(guān)鍵規(guī)格。圖3中的仿真曲線顯示了AD8421增益引腳上不同多路復(fù)用器如何降低CMRR性能。該圖清楚地表明，隨著電容的增加，CMRR的退化程度更高。

圖3.使用不同開關(guān)模擬 CMRR。

為了緩解交流CMRR的退化，最好的解決方案是確保G引腳看到相同的阻抗。這可以通過平衡電阻并將開關(guān)元件放在兩個(gè)電阻之間來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。在這種情況下，由于開關(guān)兩端固有的電容不平衡，多路復(fù)用器無法工作。此外，由于多路復(fù)用器的漏極短接在一起，因此在R的一側(cè)只能使用單個(gè)電阻G引腳，這仍然會(huì)導(dǎo)致不平衡。

圖4.使用平衡配置的離散PGIA。

在這種情況下，建議使用四通道SPST開關(guān)，例如ADG5412F。除了開關(guān)可以靈活地使用平衡電阻之外，漏極和拉極的電容也是平衡的，從而減少了CMRR的降級(jí)。圖5顯示了在AD8421增益引腳上使用多路復(fù)用器時(shí)交流CMRR與使用四通道SPST開關(guān)時(shí)的交流CMRR比較。

圖5.使用單刀單刀雙擲開關(guān)的 CMRR 仿真與多路復(fù)用器配置。

ADG5412F還具有低導(dǎo)通電阻，在漏極或源極電壓范圍內(nèi)非常平坦，如圖6所示。規(guī)定在漏極或源極電壓范圍內(nèi)最大變化為1.1 Ω?；氐阶畛醯睦樱珹D8421的增益為10，增益電阻為1.1 kΩ，開關(guān)僅引入0.1%的增益非線性度。不過，仍然存在漂移的成分，在更高的增益下會(huì)更加明顯。

圖6.ADG5412F在共模電壓范圍內(nèi)的導(dǎo)通電阻

為了消除開關(guān)的寄生電阻效應(yīng)，可以使用具有不同架構(gòu)的儀表放大器來實(shí)現(xiàn)任意增益。AD8420和AD8237采用間接電流反饋（ICF）架構(gòu)，是要求低功耗和低帶寬的應(yīng)用的理想選擇。在這種配置中，開關(guān)放置在高阻抗檢測(cè)路徑中，因此增益不受開關(guān)導(dǎo)通電阻變化的影響。

圖7.分立式PGIA使用具有間接電流反饋的儀表放大器。

對(duì)于這些放大器，增益由外部電阻的比率設(shè)置，其設(shè)置方式與同相放大器相同。這為用戶提供了更大的靈活性，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)要求選擇增益設(shè)置電阻。標(biāo)準(zhǔn)薄膜或金屬膜電阻器的溫度系數(shù)可低至 15 ppm/°C。 這比使用單個(gè)外部電阻設(shè)置增益的標(biāo)準(zhǔn)儀表放大器具有更好的增益漂移，其中片內(nèi)電阻和外部電阻之間的不匹配通常會(huì)將增益漂移限制在50 ppm/°C左右。 為了獲得最佳的增益誤差和漂移性能，可以使用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行容差和溫度系數(shù)跟蹤。不過，這確實(shí)是以成本為代價(jià)的，因此除非需要，否則分立電阻器是首選。

另一種解決方案也是靈活性最大的解決方案是三運(yùn)放儀表放大器架構(gòu)，采用分立元件，如圖8所示，帶有多路復(fù)用器以切換增益電阻。與儀表放大器相比，可供選擇的運(yùn)算放大器種類要多得多，因此設(shè)計(jì)人員有更多的選擇，這使他們能夠圍繞特定的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。過濾等特殊功能也可以內(nèi)置到第一階段。第二級(jí)中的差動(dòng)放大器完善了這種架構(gòu)。

圖8.離散PGIA。

輸入放大器的選擇直接取決于DAQ要求。例如，低功耗設(shè)計(jì)需要使用低靜態(tài)電流的放大器，而希望在輸入端看到高阻抗傳感器的系統(tǒng)可能會(huì)使用具有極低偏置電流的放大器來最小化誤差。應(yīng)使用雙通道放大器，以便更好地跟蹤整個(gè)溫度。

可以注意到，當(dāng)使用圖8中的配置時(shí)，開關(guān)的導(dǎo)通電阻也與放大器的高阻抗輸入串聯(lián)，因此不會(huì)影響增益?；仡檶?dǎo)通電阻和開關(guān)輸入電容之間的權(quán)衡，由于消除了對(duì)導(dǎo)通電阻的限制，因此可以選擇低輸入電容開關(guān)，例如ADG1209。通過這種方式，避免了不穩(wěn)定和交流CMRR退化。

與以前的設(shè)計(jì)一樣，電阻將決定增益精度和漂移?？梢赃x擇具有正確容差和漂移的分立電阻器，以滿足應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求。同樣，通過電阻網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)更好的精度，以實(shí)現(xiàn)更好的容差和溫度跟蹤，但代價(jià)是成本。

三個(gè)運(yùn)算放大器儀表放大器的第二級(jí)負(fù)責(zé)抑制共模電壓。建議在此階段使用集成電阻網(wǎng)絡(luò)的差動(dòng)放大器，以確保最佳CMRR。對(duì)于單端輸出和相對(duì)低帶寬的應(yīng)用，AD8276是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。如果需要差分輸出和更高帶寬，可以使用AD8476。第二級(jí)的另一種選擇是將 LT5400 用作標(biāo)準(zhǔn)放大器周圍的增益設(shè)置電阻器。雖然這可能會(huì)占用更多的電路板空間，但這再次為您提供了更大的放大器選擇靈活性，從而能夠圍繞特定的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行更多設(shè)計(jì)。

應(yīng)該注意的是，在離散PGIA的布局中需要小心。電路板布局中的任何不平衡都會(huì)導(dǎo)致CMRR隨頻率下降。

下表總結(jié)了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

分立式PGIA設(shè)計(jì)示例

圖9給出了為特定設(shè)計(jì)規(guī)范構(gòu)建的分立PGIA示例。在這種設(shè)計(jì)中，PGIA應(yīng)該以非常低的功耗構(gòu)建。對(duì)于輸入緩沖器，選擇 LTC2063 是因?yàn)槠?a target="_blank">電源電流僅為 2 μA（最大值）。對(duì)于開關(guān)元件，選擇ADG659是因?yàn)槠潆娫措娏鳎ㄗ畲笾禐? μA）和低輸入電容。

在選擇電路中的無源元件時(shí)也需要小心——這些元件的選擇也需要滿足低功耗要求。不適當(dāng)選擇無源器件將導(dǎo)致更大的電流消耗，從而抵消使用低功耗元件的影響。在這種情況下，增益電阻需要足夠大，以免消耗過多電流。所選電阻值設(shè)置為提供1、2、5和10的增益，如圖9所示。

圖9.低功耗PGIA設(shè)計(jì)。

對(duì)于第二級(jí)差動(dòng)放大器，LTC2063與LT5400四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)（1 MΩ選項(xiàng)）配合使用。這確保了消耗的電流最小，并且由于電阻的精確匹配而保持CMRR。

該電路采用5 V電源供電，并采用不同的共模電壓、差分輸入電壓和增益進(jìn)行評(píng)估。在基準(zhǔn)電壓源和輸入保持在中間電源的最佳條件下，電路僅消耗4.8 μA電流。

由于流過增益電阻的電流由|給出，因此在變化的差分輸入下，預(yù)計(jì)電流會(huì)增加一些V外– V裁判|/（2 兆安||1 兆安）。下面的圖10顯示了不同增益下的電流消耗。獲取有關(guān)輸出的數(shù)據(jù)以考慮收益。

圖 10.電源電流超過輸出電壓。

當(dāng)對(duì)輸入施加不同的共模電壓時(shí)，預(yù)計(jì)電流也會(huì)進(jìn)一步增加。施加的電壓將導(dǎo)致電流流過第二級(jí)的電阻器，從而導(dǎo)致額外的電流消耗。這是由|給出的V厘米– V裁判|/1 MΩ。LT5400選擇1 MΩ電阻是專門為將這種情況降至最低。下面的圖11顯示了共模電壓對(duì)不同增益下消耗的電流的影響：

圖 11.電源電流超過共模電壓。

電路的靜態(tài)電流也在關(guān)斷模式下測(cè)量。當(dāng)所有元件關(guān)斷時(shí)，電路僅消耗180 nA電流。即使共模電壓、基準(zhǔn)電壓源和差分輸入等變量發(fā)生變化，只要它們都保持在電源范圍內(nèi)，也不會(huì)改變。所有組件都有斷電選項(xiàng)，以防需要節(jié)省額外的電源，并且用戶想要進(jìn)行電源循環(huán)。在便攜式電池供電應(yīng)用中，該電路將非常有用，否則集成PGIA將無法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵規(guī)格。

結(jié)論

可編程增益儀表放大器是數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的關(guān)鍵元件，即使在傳感器靈敏度變化的情況下也能實(shí)現(xiàn)良好的SNR性能。使用集成PGIA可以縮短前端的設(shè)計(jì)時(shí)間并改善整體直流和交流性能。如果有符合要求的集成PGIA，則通常應(yīng)在設(shè)計(jì)中首選集成PGIA。但是，當(dāng)系統(tǒng)要求要求規(guī)格是可用的集成選項(xiàng)無法達(dá)到的時(shí)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)分立的PGIA。通過遵循正確的設(shè)計(jì)建議，即使采用分立方法也可以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，并且可以評(píng)估各種實(shí)現(xiàn)以確定特定應(yīng)用中的最佳配置。