如何為寬帶的精密信號(hào)鏈設(shè)計(jì)可編程增益儀表放大器

Maithil Pachchigar 和 John Neeko Garlitos

本文旨在幫助硬件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)寬帶可編程增益儀表放大器(PGIA)，從選擇現(xiàn)成的分立式組件到性能評(píng)估，以及如何節(jié)省時(shí)間和減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)。展示的PGIA架構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，可以全速驅(qū)動(dòng)基于高精度逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu)的ADC。本文還展示了PGIA在各種增益選項(xiàng)下驅(qū)動(dòng)寬帶寬信號(hào)鏈的精密性能。

簡介

精密數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通常由高性能的分立式線性信號(hào)鏈模塊組成，用于測量和保護(hù)、調(diào)節(jié)和獲取，或者合成和驅(qū)動(dòng)。硬件設(shè)計(jì)人員在開發(fā)這些數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈時(shí)，通常需要高輸入阻抗，以直接連接多種傳感器。在這種情況下，通常需要利用可編程增益使電路適應(yīng)不同的輸入信號(hào)幅度——單極性或雙極性和單端或差分信號(hào)，具有可變共模電壓。大多數(shù)PGIA傳統(tǒng)上由單端輸出組成，該輸出不能直接全速驅(qū)動(dòng)基于全差分、高精度SAR架構(gòu)的ADC，需要至少一個(gè)信號(hào)調(diào)理或驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器。隨著大家越來越注重通過系統(tǒng)軟件和應(yīng)用來提供與眾不同的系統(tǒng)解決方案，整個(gè)行業(yè)不斷迅速發(fā)展變化。但是，受緊張的研發(fā)預(yù)算和上市時(shí)間限制，用于構(gòu)建模擬電路并制作原型來驗(yàn)證其功能的時(shí)間也越來越少。這樣就增加了硬件開發(fā)資源的壓力，需要進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)迭代。本文著重介紹在設(shè)計(jì)分立式寬帶全差分PGIA時(shí)要注意的重要方面，并展示PGIA在驅(qū)動(dòng)高速信號(hào)鏈μModule?數(shù)據(jù)采集解決方案時(shí)的精密性能。

PGIA設(shè)計(jì)描述

圖1顯示分立式寬帶全差分PGIA簡化電路的框圖。有關(guān)此PGIA電路的關(guān)鍵規(guī)格和設(shè)計(jì)要求，請參見表1。

這個(gè)分立式PGIA使用以下部件構(gòu)建：

ADA4898-1 低噪聲高速放大器

LT5400 四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，用作增益和反饋電阻，用于設(shè)置PGIA增益

ADG1209 低電容iCMOS?多路復(fù)用器，用于控制PGIA增益

ADA4945-1 寬帶全差分放大器(FDA)

這款寬帶PGIA電路選擇使用這些分立式組件來滿足表1中突出顯示的PGIA規(guī)格，用于在驅(qū)動(dòng)全差分高速信號(hào)鏈μModule數(shù)據(jù)采集解決方案（例如 ADAQ23875和 ADAQ23878）和以及ADC（例如 LTC2387-16/LTC2387-18）時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的交流和直流性能。

圖 1. 簡化的 PGIA 電路框圖。

設(shè)計(jì)技巧和組件選擇

這款寬帶分立式PGIA解決方案能否驅(qū)動(dòng)基于高速SAR架構(gòu)的信號(hào)鏈μModule解決方案和實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能，取決于放大器和FDA的關(guān)鍵規(guī)格（例如帶寬、擺率、噪聲和失真）。選擇ADA4898-1和ADA4945-1是因?yàn)槠湓鲆鎺挿e(GBW)支持該信號(hào)鏈的總體帶寬要求。只有驅(qū)動(dòng)ADC（例如LTC2387-16/LTC2387-18）時(shí)，才需要使用ADA4945-1 (FDA)。設(shè)置PGIA增益的標(biāo)準(zhǔn)取決于所選的放大器、反饋電阻和多路復(fù)用器，我們將在下一節(jié)中詳細(xì)討論。

設(shè)置PGIA增益

選擇增益和反饋電阻

放大器的增益電阻和反饋電阻應(yīng)該精確匹配。LT5400四通道電阻網(wǎng)絡(luò)提供0.2 ppm/°C的匹配漂移和0.01%的電阻匹配，工作溫度范圍很寬，共模抑制比(CMRR)優(yōu)于獨(dú)立匹配電阻。FDA周圍的增益電阻也需要精準(zhǔn)匹配，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的CMRR性能。

LT5400電阻網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置放大器的增益。增益計(jì)算如公式1至公式3所示。

放大器的增益和FDA（固定增益為2）構(gòu)成了PGIA的總增益，如表2所示。

LT5400系列提供多種電阻選項(xiàng)，如表2所示?？梢允褂脝挝辉鲆媾渲玫姆糯笃鱽砼月稟DG1209多路復(fù)用器，所以在本例中，總PGIA設(shè)置為2。

要將增益設(shè)置為高于20，需要在兩個(gè)ADA4898-1放大器的反相輸入端之間添加一個(gè)外部精密匹配的增益電阻(RGAIN)，并使用LT5400-4作為反饋電阻來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)增益64和128，如圖2所示。

要計(jì)算RGAIN值，請參考公式4至8。

選擇多路復(fù)用器

使用多路復(fù)用器，通過選擇LT5400四通道電阻網(wǎng)絡(luò)可控制該P(yáng)GIA電路的多個(gè)增益。為這個(gè)寬帶分立式PGIA設(shè)計(jì)選擇多路復(fù)用器時(shí)，應(yīng)考慮多路復(fù)用器的多個(gè)重要參數(shù)，例如導(dǎo)通電阻(RON)、導(dǎo)通電容(CON)和關(guān)斷電容(COFF)。在這個(gè)寬帶PGIA設(shè)計(jì)中，建議使用ADG1209多路復(fù)用器。在放大器的反饋路徑中添加補(bǔ)償電容(Cc)，會(huì)盡可能減小增益頻響的高頻尖峰（提高放大器的穩(wěn)定性），并降低多路復(fù)用器導(dǎo)通/關(guān)斷電容的影響。Cc與RON、反饋電阻和增益電阻會(huì)構(gòu)成一個(gè)極點(diǎn)，該極點(diǎn)將會(huì)補(bǔ)償反饋環(huán)路增益中寄生電容產(chǎn)生的零點(diǎn)的影響。應(yīng)優(yōu)化Cc值，以實(shí)現(xiàn)所需的閉環(huán)響應(yīng)。當(dāng)ADA4898-1電路中使用更高的反饋電阻值時(shí)，因?yàn)槠涓咻斎腚娙荩ˋDA4898-1的輸入共模電容為2.5pF，差模電容為3.2pF），在閉環(huán)增益的頻響中會(huì)出現(xiàn)更高的尖峰。為了避免這個(gè)問題，在ADA4898-1中一個(gè)更高的反饋電阻需要并聯(lián)一個(gè)反饋電容。如圖2所示，此處選擇了 ADA4898-1數(shù)據(jù)手冊中推薦的優(yōu)化Cc值2.7 pF。使用更小的Cc時(shí)，使增益頻響的尖峰更高，但是如果使用的Cc過大，則會(huì)影響閉環(huán)增益的增益平坦度。

圖 2. 多路復(fù)用器、LT5400 和 RGAIN 電阻設(shè)置 PGIA 增益。

PGIA電源

圖3顯示用于評(píng)估該分立式寬帶寬PGIA設(shè)計(jì)性能的評(píng)估板。

圖 3. 分立式寬帶寬 PGIA 評(píng)估板。

由兩個(gè)高速ADA4898-1放大器和一個(gè)ADG1209多路復(fù)用器構(gòu)成的PGIA前端需要使用±15 V電源來驅(qū)動(dòng)，而ADA4945-1 FDA需要使用6 V和2 V電源軌來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化信號(hào)鏈性能。雖然此板需要使用臺(tái)式電源，但是針對(duì)該P(yáng)GIA電路，我們更推薦 LTpowerPlanner?電源軌的樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它同樣展示了每個(gè)電源軌的負(fù)載電流，可參考圖4。

圖 4. 推薦的電源樹。

PGIA性能

帶寬

圖5顯示在不同的增益設(shè)置下，閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系圖。當(dāng)PGIA增益從2增大到128，其帶寬會(huì)降低，而其折合到輸出端(RTO)的噪聲會(huì)增大；因此，信噪比 (SNR)會(huì)降低。

圖 5. 帶寬與頻率的關(guān)系。

CMRR

圖6顯示在不同的PGIA增益設(shè)置下，CMRR與頻率的關(guān)系圖。

圖 6. CMRR 與頻率的關(guān)系。

失真

Audio Precision? (APX555)信號(hào)分析儀用于測試PGIA板（圖4）的失真性能，通過對(duì)不同的增益設(shè)置施加不同的輸入電壓，將其輸出設(shè)置為8.192 V p-p。圖7顯示分立式寬帶PGIA的總諧波失真(THD)與頻率性能之間的關(guān)系。

圖 7. PGIA THD 與頻率的關(guān)系。

關(guān)鍵規(guī)格匯總

表3列出了使用分立式PGIA評(píng)估板（圖4）在測試臺(tái)上測得的關(guān)鍵PGIA規(guī)格，例如帶寬、擺率、漂移和失真。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)鏈的PGIA μModule解決方案

圖8顯示選定的多路復(fù)用器作為兩個(gè)低噪聲、高速放大器ADA4898-1的增益輸入端與LT5400精密電阻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)構(gòu)成的寬帶PGIA可以驅(qū)動(dòng)有15MSPS采樣速率的ADAQ23875信號(hào)鏈uModule。ADAQ23875包含內(nèi)部全差分放大器；因此，應(yīng)旁路寬帶分立式PGIA評(píng)估板（圖4）中的FDA模塊。Audio Precision (APx555)信號(hào)源用于評(píng)估SNR和THD，在本例中，輸入幅度設(shè)置為約–0.5 dBFS。

圖 8. 驅(qū)動(dòng) ADAQ23875 的分立式 PGIA 的簡化信號(hào)鏈。

完整信號(hào)鏈性能

噪聲

有關(guān)完整信號(hào)鏈（圖8）在特定輸入范圍或增益設(shè)置下的動(dòng)態(tài)范圍和折合到輸入端(RTI)的噪聲，請參考表4。

使用ADA4898-1放大器時(shí)，驅(qū)動(dòng)ADAQ23875的分立式PGIA的SNR性能與頻率的關(guān)系圖如圖9所示。PGIA增益增大時(shí)，整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍或SNR會(huì)降低，這是由于單個(gè)電阻、放大器和μModule解決方案本身的噪聲引起的。

ADAQ23878的高精度性能與高采樣速率相結(jié)合，可降低噪聲并支持過采樣，以實(shí)現(xiàn)極低的RMS噪聲并在寬帶內(nèi)檢測小幅度信號(hào)。換句話說，對(duì)快速瞬變和小信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)，15 MSPS的采樣速率大大放寬了抗混疊濾波器要求并充分提高了帶寬。過采樣是指以比兩倍信號(hào)帶寬（滿足奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)所必需）快得多的速度進(jìn)行采樣。例如，對(duì)ADAQ23875進(jìn)行4倍過采樣可額外提供1位分辨率，或增加6 dB的動(dòng)態(tài)范圍，換言之，由于此過采樣而實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍改進(jìn)定義為：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，單位dB。ADAQ23875的典型動(dòng)態(tài)范圍在15 MSPS時(shí)為91 dB，對(duì)于4.096 V基準(zhǔn)電壓源，其輸入對(duì)地短路。例如，當(dāng)ADAQ23875進(jìn)行256倍過采樣時(shí)，這對(duì)應(yīng)于29.297 kHz的信號(hào)帶寬和接近111 dB的動(dòng)態(tài)范圍（對(duì)于不同的增益選項(xiàng)），因此可以精確檢測出μV級(jí)別的小信號(hào)。為了適應(yīng)所執(zhí)行的測量，可以應(yīng)用額外的過采樣來權(quán)衡噪聲和帶寬。

圖 9. 使用 PGIA 驅(qū)動(dòng) ADAQ23875 時(shí)，SNR 與頻率的關(guān)系。

失真

圖10和圖11顯示使用分立式PGIA驅(qū)動(dòng)ADAQ23875時(shí)，信號(hào)鏈（高達(dá)100 kHz，從100 kHz至1 MHz）的THD性能。由于ADA4898-1的帶寬和擺率開始下降，THD會(huì)隨著PGIA增益和輸入信號(hào)頻率增大而逐漸下降。圖11還顯示了使用PGIA驅(qū)動(dòng)ADAQ23875，以及使用LTC6373和ADA945-1的組合在15 MSPS采樣率下驅(qū)動(dòng)LTC2387-16時(shí)，兩個(gè)信號(hào)鏈的THD性能比較。

圖 10. 使用 PGIA 驅(qū)動(dòng) ADAQ23875 時(shí)，THD 與頻率的關(guān)系。

圖 11. PGIA 驅(qū)動(dòng) ADAQ23875 以及 LTC6373 + ADA4945-1 驅(qū)動(dòng) LTC2387-16 時(shí)，THD 信號(hào)鏈的性能比較。

積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)

使用PGIA驅(qū)動(dòng)ADAQ23875時(shí)，必須保持信號(hào)鏈的整體直流精度，這一點(diǎn)也很重要。圖12和圖13顯示PGIA增益為2時(shí)，典型的INL和DNL性能。對(duì)于所有其他增益設(shè)置，INL和DNL一般都保持在±0.5 LSB以內(nèi)。

圖 13. 驅(qū)動(dòng) ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 DNL 圖。

結(jié)論

本文介紹使用ADA4898-1放大器、ADG1209多路復(fù)用器和LT5400精密匹配電阻構(gòu)建分立式寬帶寬PGIA的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在幾十毫伏到10V的單端/差分信號(hào)輸入范圍內(nèi)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)16位15 MSPS采樣率的ADAQ23875信號(hào)鏈μModule的解決方案可實(shí)現(xiàn)高精度測量。與使用市面上可用的單片式PGIA相比，完整的信號(hào)鏈可提供更好的整體精密性能。這款寬帶寬信號(hào)鏈專為特定客戶群定制，旨在構(gòu)建用于自動(dòng)化測試設(shè)備、電源監(jiān)控和分析儀的測試儀表。

審核編輯：郭婷