可编程增益仪表放大器：寻找合适的器件

作者：ADI Kristina Fortunado时间：2019-01-15来源：电子产品世界收藏

　　简介

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/201901/396754.htm

　　数据采集系统(DAQ)在许多行业应用广泛，例如研究、分析、设计验证、制造和测试等。这些系统与各种传感器接口，从而给前端设计带来挑战。必须考虑不同传感器的灵敏度，例如，系统可能需要连接最大输出为10 mV和灵敏度为微伏以下的负载传感器，同时还要连接针对10 V输出而预调理的传感器。只有一个增益时，系统需要具有非常高的分辨率来检测两个输入。即便如此，在最低输入时信噪比(SNR)也会受影响。

　　在这些应用中，可编程增益仪表放大器(PGIA)是适合前端的解决方案，可适应各种传感器接口的灵敏度，同时优化SNR。集成PGIA可实现良好的直流和交流规格。本文讨论各种集成PGIA及其优势。文中还会讨论相关限制，以及为满足特定要求而构建分立PGIA时应遵循的指导原则。

　　集成PGIA

　　ADI公司的产品系列中有许多集成PGIA。集成PGIA具有设计时间更短、尺寸更小的优势。数字可调增益通过内部精密电阻阵列实现。为了优化增益、CMRR和失调，可以对这些电阻阵列进行片内调整，从而获得良好的整体直流性能。还可以运用设计技巧来实现紧凑的IC布局，使寄生效应最小，并提供出色的匹配，产生良好的交流性能。由于这些优点，如果有符合设计要求的PGIA，强烈建议选择这样的器件。表1列出了可用的集成PGIA以及一些关键规格。

　　PGIA的选择取决于应用。AD825x由于具有快速建立时间和高压摆率，在多路复用系统中非常有用。AD8231和LTC6915采用零漂移架构，适用于需要在很宽温度范围内提供精度性能的系统。

　　表1.可编程增益仪表放大器规格

　　表2.DAQ系统规格

　　还有许多器件集成多路复用器、PGIA和ADC以形成完整的DAQ解决方案。实例有ADAS3022、ADAS3023和AD7124-8。

　　这些解决方案的选择主要取决于输入信号源的规格。AD7124-8针对需要极高精度的慢速应用而设计，例如温度和压力测量。ADAS3022和ADAS3023适用于相对较高带宽的应用，例如过程控制或电力线监控，但其功耗高于AD7124-8。

　　实现分立PGIA

　　一些系统可能有一两个规格是上述集成器件无法满足的。通常，若存在以下要求，则用户需要利用分立器件构建自己的PGIA：

　　需要更高带宽的多路复用系统，扫描速率非常高
　　超低功耗
　　系统需要定制的增益或衰减
　　高阻抗传感器的低输入偏置电流
　　极低噪声

　　设计分立PGIA常用的方法之一是使用具有所需输入特性的仪表放大器，例如低噪声AD8421，并搭配一个多路复用器来切换增益电阻以改变增益。

　　图1.AD8421和用于切换增益的多路复用器

　　在这种配置中，多路复用器的导通电阻实际上与增益电阻串联。该导通电阻随漏极上的电压而改变，这就带来一个问题。图2取自ADG1208数据手册，展示了这种关系。

　　图2.ADG1208的导通电阻与漏极电压的关系

　　导通电阻和增益电阻的串联组合导致增益出现非线性误差。这意味着增益将随共模电压而变化，这是很不好的。例如，AD8421需要1.1 kΩ的增益电阻以获得10倍增益。对于ADG1208，当源极或漏极电压改变±15 V时，导通电阻变化幅度高达40Ω，由此产生的增益非线性误差约为3%。若增益更大，该误差将变得更加明显，导通电阻甚至可能变得与增益电阻相当。

　　或者，可以使用低导通电阻的多路复用器来降低这种影响，但相应的代价是输入电容会更高。表3通过比较ADG1208和ADG1408说明了这一点。

　　表3.多路复用器中导通电阻与电容的权衡

　　开关的输入电容会导致图1所示配置产生另一个问题，因为任何给定三引脚运放仪表放大器上的RG引脚都对电容非常敏感。开关电容可能导致该电路出现峰化或不稳定。更大的问题是RG引脚上的电容不平衡导致交流共模抑制比(CMRR)降低，而CMRR是仪表放大器的一项关键规格。图3中的仿真图显示了AD8421的增益引脚上使用不同多路复用器时CMRR的降低情况。该图清楚地表明，随着电容的增加，CMRR降幅更大。