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
，同時優化SNR。集成PGIA可實現良好的直流和交流規格。本文討論各種集成PGIA及其優勢。文中還會討論相關限製
，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公司的產品係列中有許多集成PGIA。集成PGIA具有設計時間更短、尺寸更小的優勢。數字可調增益通過內部精密電阻陣列實現。為了優化增益、CMRR和失調，可以對這些電阻陣列進行片內調整，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緊湊的IC布局
，使寄生效應最小，並提供出色的匹配
，產生良好的交流性能。由於這些優點，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以及一些關鍵規格。

 

表1. 可編程增益儀表放大器規格

 

PGIA的選擇取決於應用。AD825x由於具有快速建立時間和高壓擺率
，在多路複用係統中非常有用。 AD8231 和 LTC6915采用零漂移架構，適用於需要在很寬溫度範圍內提供精度性能的係統。

 

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

 

表2. DAQ係統規格

 

這些解決方案的選擇主要取決於輸入信號源的規格。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適用於相對較高帶寬的應用
，例如過程控製或電力線監控，但其功耗高於AD7124-8。

 

實現分立PGIA

 

一些係統可能有一兩個規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複用係統
，掃描速率非常高

● 超低功耗

● 係統需要定製的增益或衰減

● 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，並搭配一個多路複用器來切換增益電阻以改變增益。

 

圖1. AD8421和用於切換增益的多路複用器

 

在這種配置中，多路複用器的導通電阻實際上與增益電阻串聯。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 數據手冊
，展示了這種關係。

 

 

圖2. ADG1208的導通電阻與漏極電壓的關係

 

導通電阻和增益電阻的串聯組合導致增益出現非線性誤差。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。對於ADG1208
，當源極或漏極電壓改變±15 V時，導通電阻變化幅度高達40 Ω
，由此產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複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. 多路複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峰化或不穩定。更大的問題是RG引腳上的電容不平衡導致交流共模抑製比(CMRR)降低

，而CMRR是儀表放大器的一項關鍵規格。圖3中的仿真圖顯示了AD8421的增益引腳上使用不同多路複用器時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並將開關元件放置在兩個電阻之間來實現，如圖4所示。在這種情況下，由於開關兩端固有的電容不平衡
，多路複用器不起作用。此外，由於多路複用器的漏極短接在一起，RG引腳的一側隻能使用一個電阻，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複用器與使用四通道SPST開關兩種情況下的交流CMRR。

 

圖5. SPST開關與多路複用器配置兩種情況下的CMRR仿真

 

ADG5412F還具有低導通電阻特性，其在漏極或源極電壓範圍內非常平坦，如圖6所示。在漏極或源極電壓範圍內，其額定最大值為1.1 Ω。回到最初的例子
，AD8421的增益為10，增益電阻為1.1 kΩ，開關隻會引入0.1%的增益非線性。盡管如此，仍有一個漂移分量
，其在更高增益時會更加明顯。

 

圖6. ADG5412F的導通電阻與共模電壓的關係

 

為了消除開關的寄生電阻效應，可以使用不同架構的儀表放大器來實現任意增益。 AD8420 和 AD8237 采用間接電流反饋(ICF)架(jia)構(gou)
，是(shi)要(yao)求(qiu)低(di)功(gong)耗(hao)和(he)低(di)帶(dai)寬(kuan)的(de)應(ying)用(yong)的(de)出(chu)色(se)選(xuan)擇(ze)。在(zai)這(zhe)種(zhong)配(pei)置(zhi)中(zhong)
，開(kai)關(guan)置(zhi)於(yu)高(gao)阻(zu)抗(kang)檢(jian)測(ce)路(lu)徑(jing)中(zhong)，因(yin)此(ci)增(zeng)益(yi)不(bu)受(shou)開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)變(bian)化(hua)的(de)影(ying)響(xiang)。

 

圖7. 采用間接電流反饋的儀表放大器的分立PGIA

 

這zhe些xie放fang大da器qi的de增zeng益yi是shi通tong過guo外wai部bu電dian阻zu的de比bi率lv來lai設she置zhi的de，設she置zhi方fang式shi與yu同tong相xiang放fang大da器qi相xiang同tong。這zhe就jiu為wei用yong戶hu提ti供gong了le更geng大da的de靈ling活huo性xing
，因yin為wei增zeng益yi設she置zhi電dian阻zu可ke以yi根gen據ju設she計ji要yao求qiu來lai選xuan擇ze。標biao準zhun薄bo膜mo或huo金jin屬shu膜mo電dian阻zu的de溫wen度du係xi數shu可ke低di至zhi15 ppm/°C，xiangyingdezengyipiaoyiyaobishiyongdangewaibudianzushezhizengyidebiaozhunyibiaofangdaqigenghao，houzhedepianneihewaibudianzuzhijiandebupipeitongchanghuijiangzengyipiaoyixianzhizai50 ppm/°C左zuo右you。為wei獲huo得de最zui佳jia增zeng益yi誤wu差cha和he漂piao移yi性xing能neng
，可ke以yi使shi用yong電dian阻zu網wang絡luo進jin行xing容rong差cha和he溫wen度du係xi數shu跟gen蹤zong。不bu過guo，這zhe要yao以yi犧xi牲sheng成cheng本ben為wei代dai價jia
，因yin此ci除chu非fei確que有you需xu要yao
，否fou則ze應ying優you先xian選xuan擇ze分fen立li電dian阻zu。

 

另一種解決方案，也是提供最大靈活性的解決方案

，是采用分立元件的三運放儀表放大器架構
，如圖8所(suo)示(shi)
，通(tong)過(guo)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)切(qie)換(huan)增(zeng)益(yi)電(dian)阻(zu)。與(yu)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)相(xiang)比(bi)，運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)可(ke)供(gong)選(xuan)擇(ze)的(de)範(fan)圍(wei)要(yao)大(da)得(de)多(duo)
，因(yin)此(ci)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)有(you)更(geng)多(duo)選(xuan)擇(ze)
，這(zhe)使(shi)他(ta)們(men)能(neng)夠(gou)圍(wei)繞(rao)特(te)定(ding)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)。濾(lv)波(bo)等(deng)特(te)殊(shu)功(gong)能(neng)也(ye)可(ke)以(yi)內(nei)建(jian)於(yu)第(di)一(yi)級(ji)中(zhong)。第(di)二(er)級(ji)的(de)差(cha)動(dong)放(fang)大(da)器(qi)完(wan)善(shan)了(le)這(zhe)種(zhong)架(jia)構(gou)。

 

圖8. 分立PGIA

 

輸入放大器的選擇直接取決於DAQ要(yao)求(qiu)。例(li)如(ru)
，低(di)功(gong)耗(hao)設(she)計(ji)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)低(di)靜(jing)態(tai)電(dian)流(liu)的(de)放(fang)大(da)器(qi)，而(er)預(yu)期(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)會(hui)有(you)高(gao)阻(zu)抗(kang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)超(chao)低(di)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)的(de)放(fang)大(da)器(qi)來(lai)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)誤(wu)差(cha)。應(ying)使(shi)用(yong)雙(shuang)放(fang)大(da)器(qi)以(yi)更(geng)好(hao)地(di)跟(gen)蹤(zong)溫(wen)度(du)。

 

可以注意到，當使用圖8所(suo)示(shi)配(pei)置(zhi)時(shi)
，開(kai)關(guan)的(de)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)也(ye)與(yu)放(fang)大(da)器(qi)的(de)高(gao)阻(zu)抗(kang)輸(shu)入(ru)串(chuan)聯(lian)，因(yin)此(ci)它(ta)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)增(zeng)益(yi)。回(hui)顧(gu)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)與(yu)開(kai)關(guan)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)之(zhi)間(jian)的(de)權(quan)衡(heng)

，由(you)於(yu)對(dui)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)的(de)限(xian)製(zhi)不(bu)複(fu)存(cun)在(zai)，所(suo)以(yi)設(she)計(ji)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)低(di)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)開(kai)關(guan)
，例(li)如(ru) ADG1209。這樣，不穩定性和交流CMRR降低得以避免。

 

與(yu)之(zhi)前(qian)的(de)設(she)計(ji)一(yi)樣(yang)，增(zeng)益(yi)精(jing)度(du)和(he)漂(piao)移(yi)將(jiang)由(you)電(dian)阻(zu)決(jue)定(ding)。可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)具(ju)有(you)適(shi)當(dang)容(rong)差(cha)和(he)漂(piao)移(yi)，符(fu)合(he)應(ying)用(yong)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)的(de)分(fen)立(li)電(dian)阻(zu)。同(tong)樣(yang)，使(shi)用(yong)電(dian)阻(zu)網(wang)絡(luo)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)精(jing)度(du)
、更好的容差和溫度跟蹤，不過成本會增加。

 

三運放儀表放大器的第二級負責抑製共模電壓。此級建議使用集成電阻網絡的差動放大器，以確保CMRR最佳。對於單端輸出和相對低帶寬的應用， AD8276 是一個不錯的選擇。如果需要差分輸出和更高帶寬
，可以使用 AD8476。第二級的另一個選擇是使用。第二級的另一個選擇是使用 LT5400作為標準放大器周圍的增益設置電阻。這可能會占用更多 的電路板空間，但另一方麵又給放大器的選擇提供了更大的靈活性，用戶可以圍繞特定設計要求進行更多設計。

 

應當注意的是
，分立PGIA的布局需要小心。電路板布局的任何不平衡都會導致CMRR隨頻率而降低。

 

下表總結了每種方法的優缺點：

 

表4. 可編程增益儀表放大器不同實現方法的比較

 

分立PGIA設計示例

 

圖9給出了一個針對特定設計規格而構建的分立PGIA示例。在這種設計中，所構建的PGIA應具有非常低的功耗。輸入緩衝器選擇LTC2063，其電源電流很低，最大值為2 μA。開關元件選擇 ADG659

， 其電源電流很低
，最大值為1 μA，輸入電容也很低。

 

選xuan擇ze電dian路lu中zhong的de無wu源yuan元yuan件jian時shi也ye需xu要yao注zhu意yi，須xu滿man足zu低di功gong耗hao要yao求qiu。無wu源yuan器qi件jian選xuan擇ze不bu當dang會hui導dao致zhi電dian流liu消xiao耗hao增zeng大da，抵di消xiao使shi用yong低di功gong耗hao元yuan件jian的de作zuo用yong。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia
，增zeng益yi電dian阻zu需xu要yao足zu夠gou大da，以yi免mian消xiao耗hao太tai多duo電dian流liu。所suo選xuan電dian阻zu值zhi（用來提供1、2、5和10的增益）如圖9所示。

 

圖9. 低功耗PGIA設計

 

對於第二級差動放大器，LTC2063與LT5400四通道匹配電阻網絡（1 MΩ選項）一起使用。這確保了電流消耗最低

，並且電阻的精確匹配保護了CMRR性能。

 

該電路采用5 V電源供電，並使用不同的共模電壓
、差分輸入電壓和增益進行了評估。在基準電壓和輸入保持在中間電源電壓的最佳條件下，電路僅消耗4.8 μA的電流。

 

差分輸入變化時預計電流會有一定的增加，原因是電流會流過增益電阻，電流值等於|VOUT – VREF|/(2 MΩ||1 MΩ)。下麵的圖10顯示了不同增益下消耗的電流。由於增益原因，數據是相對於輸出端測量。

 

圖10. 電源電流與輸出電壓的關係

 

將不同共模電壓施加於輸入時

，電流預計也會增加。施加的電壓將導致電流流過第二級中的電阻，引起額外的電流消耗，其值等於|VCM – VREF|/1 MΩ。LT5400選擇1 MΩ電阻就是專門為了盡量減小這種電流。下麵的圖11顯示了共模電壓對不同增益下的電流消耗的影響：

 

圖11. 電源電流與共模電壓的關係

 

還測量了關斷模式下電路的靜態電流。當所有器件關斷時
，電路僅消耗180 nA的電流。這不會變化，即使共模電壓、jizhundianyahechafenshurudengbianliangfashengbianhua，zhiyaotamendoubaochizaidianyuanfanweineijike。suoyouqijiandouyouguanduanxuanxiang，yifangxuyaojinyibujieshenggonghaoyijiyonghuxiwangduandianzaizhongqi。zaibianxieshidianchigongdiandeyingyongzhong，gaidianlufeichangyouyong；若非如此
，利用集成PGIA是無法實現關鍵規格的。

 

結論

 

可編程增益儀表放大器是數據采集領域的關鍵器件
，即使配合不同靈敏度的傳感器使用，也能實現良好的SNR性能。使用集成PGIA可縮短設計時間，提高前端的整體直流和交流性能。如果有符合要求的集成PGIA
，設計中一般應優先使用這樣的器件。但是，當係統要求的規格無法通過現有集成器件實現時，可以設計一個分立PGIA。通過遵循正確的設計建議

，即使采用分立方法也可以實現最優設計，並且可以評估各種實施方法以確定具體應用的最佳配置。

 

 

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