分析ADC中的集成式容性PGA之重新定義性能

ADI專利的容性可編程增益放大器（PGA）相比傳統(tǒng)的阻性PGA具有更佳的性能，包括針對模擬輸入信號的更高共模電壓抑制能力。
　　本文描述了斬波容性放大器的工作原理，強調(diào)了需要放大傳感器小信號至接近供電軌——比如溫度測量（RTD或熱電偶）和惠斯登電橋——時，此架構(gòu)的優(yōu)勢。
　　Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）廣泛用于傳感器具有較小輸出電壓范圍和帶寬的應(yīng)用中（比如應(yīng)變計或熱敏電阻），因為這種架構(gòu)提供高動態(tài)范圍。具有高動態(tài)范圍是因為，相比其它ADC架構(gòu)，它具有低噪聲性能。
　　Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器基于兩條原理工作：過采樣和噪聲整形。當(dāng)ADC對輸入信號進(jìn)行采樣時，獨立于采樣頻率的量化噪聲會在直到采樣頻率一半的整個頻譜內(nèi)擴(kuò)散。因此，如果輸入信號以比奈奎斯特理論所推導(dǎo)出的最小值高很多的頻率采樣，則目標(biāo)頻段內(nèi)的量化噪聲下降。
　　圖1顯示了不同采樣頻率下的量化噪聲密度示例。
　　
　　圖1.不同采樣頻率下，頻率范圍內(nèi)的量化噪聲密度。
　　一般而言，對于特定的目標(biāo)頻段，每2個過采樣系數(shù)就會使動態(tài)范圍改善3 dB（假定為白噪聲頻譜）。Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器的第二個優(yōu)勢是噪聲傳遞函數(shù)。它將噪聲整形至更高頻率（如圖2所示），進(jìn)一步降低了目標(biāo)頻段內(nèi)的量化噪聲。
　　
　　圖2.Σ-Δ噪聲整形。
　　此外，Σ-Δ架構(gòu)可能集成數(shù)字濾波器，用來移除目標(biāo)頻段外的量化噪聲，實現(xiàn)出色的動態(tài)范圍性能，如圖3所示。
　　
　　圖3.LPF之后的量化噪聲。
　　輸入緩沖器
　　過采樣架構(gòu)的缺點之一是，相比其它采樣頻率較低的架構(gòu)，驅(qū)動Σ-Δ型調(diào)制器的輸入緩沖器要求可能會更嚴(yán)格。采集時間變得更短，因此緩沖器需要更高帶寬?，F(xiàn)代Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器片上集成輸入緩沖器，最大程度簡化使用。
　　此外，在檢測系統(tǒng)中，為檢測元件提供具有高精度的極高輸入阻抗對于測量精度而言極為關(guān)鍵。這使得輸入緩沖器的要求更為嚴(yán)格了。