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)中都有應用，例如研究、分析、設計驗證、制造和測試。從本質上講，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載傳感器接口，同時還要與預調(diào)節(jié)為10 V輸出的傳感器接口。對于單增益，系統(tǒng)需要具有非常高的分辨率來檢測兩個輸入。即便如此，在最低輸入端也會犧牲信噪比（SNR）。

在這些應用中，可編程增益儀表放大器（PGIA）是前端的良好解決方案，可以適應各種傳感器接口的靈敏度，同時優(yōu)化SNR。集成PGIA可用于實現(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。還將討論限制，以及在嘗試滿足特定要求時構建離散PGIA的指南。

綜合PGIA認證

ADI在其產(chǎn)品組合中提供多種集成PGIA。集成PGIA具有更短的設計時間和更小的尺寸。數(shù)字可調(diào)增益通過內(nèi)部精密電阻陣列實現(xiàn)。可以對這些電阻陣列進行片內(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。設計技術也可用于緊湊的IC布局，以最大限度地減少寄生效應，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，如果有滿足設計要求的集成PGIA，則始終建議選擇集成PGIA。表1列出了可用的集成PGIA以及一些關鍵規(guī)格。

PGIA的選擇取決于應用。AD825x具有快速建立時間和高壓擺率，因此在多路復用系統(tǒng)中非常有用。AD8231和LTC6915采用零漂移架構，非常適合需要在很寬溫度范圍內(nèi)實現(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 用 器、 PGIA 和 ADC， 以 形成 一個 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源的規(guī)格。AD7124-8專為需要極高精度的較慢應用而設計，例如溫度和壓力測量。ADAS3022和ADAS3023適用于帶寬相對較高的應用，例如過程控制或電力線監(jiān)控。但是，與AD7124-8相比，它們確實消耗更多的功耗。

實現(xiàn)離散PGIA

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

在需要更高帶寬的多路復用系統(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

設計分立PGIA時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，并配合多路復用器切換增益電阻以改變增益。

圖1.AD8421，帶多路復用器，用于切換增益。

在這種配置中，多路復用器的導通電阻實際上與增益電阻串聯(lián)。當該導通電阻相對于漏極處存在的電壓發(fā)生變化時，就會出現(xiàn)問題。圖2取自ADG1208數(shù)據(jù)手冊，展示了這種關系。

圖2.ADG1208的導通電阻與漏極電壓的關系

導通電阻和增益電阻的串聯(lián)組合導致增益非線性。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。對于ADG1208，導通電阻隨源極或漏極電壓變化±15 V而變化多達40 Ω。這導致增益非線性度約為3%。對于較大的增益，該誤差將變得更加明顯，導通電阻甚至可能開始與增益電阻相當。

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

開關的輸入電容導致圖1中的配置中的另一個問題，因為RG任何給定的三引腳運算放大器儀表放大器上的引腳對電容非常敏感。開關的電容可能導致該電路出現(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元件放在兩個電阻之間來實現(xiàn)，如圖4所示。在這種情況下，由于開關兩端固有的電容不平衡，多路復用器無法工作。此外，由于多路復用器的漏極短接在一起，因此在R的一側只能使用單個電阻G引腳，這仍然會導致不平衡。

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，例如ADG5412F。除了開關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。圖5顯示了在AD8421增益引腳上使用多路復用器時交流CMRR與使用四通道SPST開關時的交流CMRR比較。

圖5.使用單刀單刀雙擲開關的 CMRR 仿真與多路復用器配置。

ADG5412F還具有低導通電阻，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，在更高的增益下會更加明顯。

圖6.ADG5412F在共模電壓范圍內(nèi)的導通電阻

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

圖7.分立式PGIA使用具有間接電流反饋的儀表放大器。

對于這些放大器，增益由外部電阻的比率設置，其設置方式與同相放大器相同。這為用戶提供了更大的靈活性，因為可以根據(jù)設計要求選擇增益設置電阻。標準薄膜或金屬膜電阻器的溫度系數(shù)可低至 15 ppm/°C。 這比使用單個外部電阻設置增益的標準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)絡進行容差和溫度系數(shù)跟蹤。不過，這確實是以成本為代價的，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放儀表放大器架構，采用分立元件，如圖8所示，帶有多路復用器以切換增益電阻。與儀表放大器相比，可供選擇的運算放大器種類要多得多，因此設計人員有更多的選擇，這使他們能夠圍繞特定的設計要求進行設計。過濾等特殊功能也可以內(nèi)置到第一階段。第二級中的差動放大器完善了這種架構。

圖8.離散PGIA。

輸入放大器的選擇直接取決于DAQ要求。例如，低功耗設計需要使用低靜態(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)可能會使用具有極低偏置電流的放大器來最小化誤差。應使用雙通道放大器，以便更好地跟蹤整個溫度。

可以注意到，當使用圖8中的配置時，開關的導通電阻也與放大器的高阻抗輸入串聯(lián)，因此不會影響增益?；仡檶娮韬烷_關輸入電容之間的權衡，由于消除了對導通電阻的限制，因此可以選擇低輸入電容開關，例如ADG1209。通過這種方式，避免了不穩(wěn)定和交流CMRR退化。

與以前的設計一樣，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，以滿足應用的設計要求。同樣，通過電阻網(wǎng)絡可以實現(xiàn)更好的精度，以實現(xiàn)更好的容差和溫度跟蹤，但代價是成本。

三個運算放大器儀表放大器的第二級負責抑制共模電壓。建議在此階段使用集成電阻網(wǎng)絡的差動放大器，以確保最佳CMRR。對于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。第二級的另一種選擇是將 LT5400 用作標準放大器周圍的增益設置電阻器。雖然這可能會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計要求進行更多設計。

應該注意的是，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導致CMRR隨頻率下降。

下表總結了每種方法的優(yōu)缺點：

分立式PGIA設計示例

圖9給出了為特定設計規(guī)范構建的分立PGIA示例。在這種設計中，PGIA應該以非常低的功耗構建。對于輸入緩沖器，選擇 LTC2063 是因為其電源電流僅為 2 μA（最大值）。對于開關元件，選擇ADG659是因為其電源電流（最大值為1 μA）和低輸入電容。

在選擇電路中的無源元件時也需要小心——這些元件的選擇也需要滿足低功耗要求。不適當選擇無源器件將導致更大的電流消耗，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。所選電阻值設置為提供1、2、5和10的增益，如圖9所示。

圖9.低功耗PGIA設計。

對于第二級差動放大器，LTC2063與LT5400四通道匹配電阻網(wǎng)絡（1 MΩ選項）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行評估。在基準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，預計電流會增加一些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。

當對輸入施加不同的共模電壓時，預計電流也會進一步增加。施加的電壓將導致電流流過第二級的電阻器，從而導致額外的電流消耗。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)電流也在關斷模式下測量。當所有元件關斷時，電路僅消耗180 nA電流。即使共模電壓、基準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)，也不會改變。所有組件都有斷電選項，以防需要節(jié)省額外的電源，并且用戶想要進行電源循環(huán)。在便攜式電池供電應用中，該電路將非常有用，否則集成PGIA將無法實現(xiàn)關鍵規(guī)格。

結論

可編程增益儀表放大器是數(shù)據(jù)采集領域的關鍵元件，即使在傳感器靈敏度變化的情況下也能實現(xiàn)良好的SNR性能。使用集成PGIA可以縮短前端的設計時間并改善整體直流和交流性能。如果有符合要求的集成PGIA，則通常應在設計中首選集成PGIA。但是，當系統(tǒng)要求要求規(guī)格是可用的集成選項無法達到的時，可以設計一個分立的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(xiàn)最佳設計，并且可以評估各種實現(xiàn)以確定特定應用中的最佳配置。