用于數(shù)據(jù)采集的超高性能差分輸出可編程增益儀表放大器

構(gòu)建功能強(qiáng)大的模擬前端，在單個(gè)信號(hào)路徑中提供衰減和放大，以及差分輸出以驅(qū)動(dòng)高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一種方法是級(jí)聯(lián)可編程增益儀表放大器（PGIA），例如AD8250（增益為1、2、5或10）、AD8251（增益為1、2、4或8）或AD8253（增益為1， 如圖10、100或1000），電路中采用全差分漏斗（衰減）放大器，如AD8475。該解決方案具有簡(jiǎn)單性、靈活性和高速性，以及出色的精度和溫度穩(wěn)定性。

上述可編程增益儀表放大器具有 5.3GΩ 差分輸入阻抗和 –110dB 總諧波失真 （THD），非常適合與各種傳感器接口。增益為10時(shí)，AD8250的保證規(guī)格包括：3 MHz帶寬、18 nV/√Hz電壓噪聲、685 ns建立時(shí)間至0.001%、1.7 μV/°C失調(diào)漂移、10 ppm/°C增益漂移以及從直流至50 kHz的90 dB共模抑制。精密直流性能與高速相結(jié)合，使放大器非常適合具有多路復(fù)用輸入的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

AD8475是一款高速、全差分漏斗放大器，集成精密電阻，提供0.4或0.8的精密衰減、共模電平轉(zhuǎn)換、單端至差分轉(zhuǎn)換和輸入過壓保護(hù)。這款易于使用、完全集成的精密增益模塊設(shè)計(jì)用于使用+5 V單電源處理高達(dá)±10 V的信號(hào)電平。因此，它可以將工業(yè)級(jí)信號(hào)與采樣速率高達(dá)4 MSPS的低壓高性能16位和18位逐次逼近（SAR）ADC的差分輸入電壓范圍相匹配。

AD825x和AD8475協(xié)同工作，如圖1所示，提供靈活的高性能模擬前端。表1顯示了可以實(shí)現(xiàn)的增益組合，具體取決于輸入和輸出電壓范圍要求。

圖1.數(shù)據(jù)采集模擬前端，采用AD825x PGIA和AD8475差分輸出漏斗放大器。

表 1.AAD8475與AD8250、AD8251和AD8253組合的輸入電壓范圍和增益

功能：輸入電壓范圍和帶寬

采用±15 V電源供電時(shí)，AD825x系列PGIA的最大輸入電壓范圍約為±13.5 V（AD8250和AD8251提供超出電源軌高達(dá)13 V的額外過壓保護(hù)）。在本應(yīng)用中，PGIA輸入電壓范圍的有效限值由ADC輸入的滿量程電壓范圍和從傳感器到ADC的信號(hào)路徑增益設(shè)定。例如，AD7986 18位、2 MSPS PulSAR ADC采用2.5 V單電源供電，典型基準(zhǔn)電壓為4.096 V。其差分輸入可接受高達(dá) ±4.096 V（輸入為 0 V 至 4.096 V 和 4.096 V 至 0 V）。如果模擬前端的總增益設(shè)置為0.4，AD825x的增益配置為1，AD8475的增益配置為0.4，則系統(tǒng)可以處理最大幅度為±10.24 V的輸入信號(hào)。

要確定任何系統(tǒng)所需的增益設(shè)置組合，請(qǐng)考慮ADC（VFS）的滿量程輸入電壓以及傳感器的預(yù)期最小/最大電流或電壓電平。

鑒于其精度和功能水平，該模擬前端的速度和帶寬非常出色。該電路的速度和帶寬能力由以下因素組合決定：

AD825x建立時(shí)間：對(duì)于10 V輸出電壓階躍，AD8250在615 ns內(nèi)建立至0.001%（16位）。

AD825x壓擺率：AD825x的壓擺速率在20 V/μs至30 V/μs之間，具體取決于增益設(shè)置。AD8475的壓擺速率為50 V/μs，因此系統(tǒng)受AD825x壓擺率的限制。

抗混疊濾波器（AAF）截止頻率：此用戶確定的濾波器頻帶可限制ADC輸入端的信號(hào)，以防止混疊并改善信號(hào)鏈的SNR（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見放大器和ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)）。

ADC采樣速率：AD8475可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)4 MSPS的18位分辨率轉(zhuǎn)換器。

許多數(shù)據(jù)采集和過程控制系統(tǒng)測(cè)量壓力、溫度和其他低頻輸入信號(hào)，因此前端放大器的直流精度和溫度穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。其中許多應(yīng)用包括多個(gè)傳感器，這些傳感器以輪詢方式多路復(fù)用到放大器輸入端。通常，輪詢頻率遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號(hào)的帶寬。當(dāng)多路復(fù)用器從一個(gè)傳感器切換到下一個(gè)傳感器時(shí)，放大器輸入端看到的電壓變化是未知的，因此設(shè)計(jì)必須適應(yīng)最壞的情況：滿量程電壓階躍。放大器必須能夠在分配給開關(guān)的時(shí)間內(nèi)從此滿量程階躍建立。該建立時(shí)間還需要低于ADC采樣和采集信號(hào)所需的建立時(shí)間。

建議在AD8475和ADC輸入之間使用抗混疊濾波器（AAF）。AAF頻段限制ADC輸入端的信號(hào)和噪聲，以防止不良混疊效應(yīng)并改善系統(tǒng)SNR。此外，AAF 會(huì)吸收一些 ADC 輸入瞬態(tài)電流，因此濾波器還在放大器和 ADC 的開關(guān)電容輸入之間提供一些隔離。通常，AAF 使用簡(jiǎn)單的 RC 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，如圖 1 所示。以下公式描述了濾波器帶寬：

在許多情況下，濾波器的R和C值會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，以便為ADC提供必要的帶寬、建立時(shí)間和驅(qū)動(dòng)能力。有關(guān)具體建議，請(qǐng)參閱 ADC 數(shù)據(jù)手冊(cè)。

結(jié)論

AD8475和AD825x系列PGIA共同實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬前端，可提供高性能、功能性和靈活性。放大和衰減均可使用多種可編程增益組合，從而優(yōu)化不同的測(cè)量電壓范圍。AD825x的性能和可編程性非常適合多路復(fù)用測(cè)量系統(tǒng)，AD8475為精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供了出色的接口。兩個(gè)放大器配合良好，可保持傳感器信號(hào)的完整性，作為工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的高性能模擬前端。

審核編輯：郭婷