數據采集系統(tǒng)(DAQ)在許多行業(yè)應用普遍，例如研討、剖析、設計考證、制造和測試等。這些系統(tǒng)與各種傳感器接口，從而給前端設計帶來應戰(zhàn)。必需思索不同傳感器的靈活度，例如，系統(tǒng)可能需求銜接最大輸出為10mV和靈活度為微伏以下的負載傳感器，同時還要銜接針對10V輸出而預調理的傳感器。只要一個增益時，系統(tǒng)需求具有十分高的分辨率來檢測兩個輸入。即使如此，在最低輸入時信噪比(SNR)也會受影響。
?
在這些應用中，可編程增益儀表放大器(PGIA)是合適前端的處理計劃，可順應各種傳感器接口的靈活度，同時優(yōu)化SNR。集成PGIA可完成良好的直流和交流規(guī)格。本文討論各種集成PGIA及其優(yōu)勢。文中還會討論相關限制，以及為滿足特定請求而構建分立PGIA時應遵照的指導準繩。
?
?
集成PGIA
ADI的產品系列中有許多集成PGIA。集成PGIA具有設計時間更短、尺寸更小的優(yōu)勢。數字可調增益經過內部精細電阻陣列完成。為了優(yōu)化增益、CMRR和失調，能夠對這些電阻陣列停止片內調整，從而取得良好的整體直流性能。還能夠運用設計技巧來完成緊湊的IC規(guī)劃，使寄生效應最小，并提供出色的匹配，產生良好的交流性能。由于這些優(yōu)點，假如有契合設計請求的PGIA，激烈倡議選擇這樣的器件。表1列出了可用的集成PGIA以及一些關鍵規(guī)格。
?
表1. 可編程增益儀表放大器規(guī)格
?
PGIA的選擇取決于應用。AD825x由于具有快速樹立時間和高壓擺率，在多路復用系統(tǒng)中十分有用。AD8231和LTC6915采用零漂移架構，適用于需求在很寬溫度范圍內提供精度性能的系統(tǒng)。
?
還有許多器件集成多路復用器、PGIA和ADC以構成完好的DAQ處理計劃。實例有ADAS3022,ADAS3023和AD7124-8.
?
.jpg)
表2. DAQ系統(tǒng)規(guī)格
?
這些處理計劃的選擇主要取決于輸入信號源的規(guī)格。AD7124-8針對需求極高精度的慢速應用而設計，例如溫度和壓力丈量。ADAS3022和ADAS3023適用于相對較高帶寬的應用，例如過程控制或電力線監(jiān)控，但其功耗高于AD7124-8。
?
?
實現分立PGIA
一些系統(tǒng)可能有一兩個規(guī)格是上述集成器件無法滿足的。通常，若存在以下要求，則用戶需要利用分立器件構建自己的PGIA：
-
需要更高帶寬的多路復用系統(tǒng)，掃描速率非常高
-
超低功耗
-
系統(tǒng)需要定制的增益或衰減
-
高阻抗傳感器的低輸入偏置電流
-
極低噪聲
設計分立PGIA常用的辦法之一是運用具有所需輸入特性的儀表放大器，例如低噪聲AD8421，并搭配一個多路復用器來切換增益電阻以改動增益。
?
.jpg)
圖1. AD8421和用于切換增益的多路復用器
?
在這種配置中，多路復用器的導通電阻實踐上與增益電阻串聯(lián)。該導通電阻隨漏極上的電壓而改動，這就帶來一個問題。圖2取自ADG1208數據手冊，展現了這種關系。
?
.jpg)
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)組合招致增益呈現非線性誤差。這意味著增益將隨共模電壓而變化，這是很不好的。例如，AD8421需求1.1kΩ的增益電阻以取得10倍增益。關于ADG1208，當源極或漏極電壓改動±15V時，導通電阻變化幅度高達40Ω，由此產生的增益非線性誤差約為3%。若增益更大，該誤差將變得愈加明顯，導通電阻以至可能變得與增益電阻相當。
?
或者，能夠運用低導通電阻的多路復用器來降低這種影響，但相應的代價是輸入電容會更高。表3經過比擬ADG1208和ADG1408闡明了這一點。
?
.jpg)
表3. 多路復用器中導通電阻與電容的權衡
?
開關的輸入電容會招致圖1所示配置產生另一個問題，由于任何給定三引腳運放儀表放大器上的RG引腳都對電容十分敏感。開關電容可能招致該電路呈現峰化或不穩(wěn)定。更大的問題是RG引腳上的電容不均衡招致交流共模抑止比(CMRR)降低，而CMRR是儀表放大器的一項關鍵規(guī)格。圖3中的仿真圖顯現了AD8421的增益引腳上運用不同多路復用器時CMRR的降低狀況。該圖分明地標明，隨著電容的增加，CMRR降幅更大。
?
圖3. 運用不同開關得到的仿真CMRR
?
為了減小交流CMRR降幅，最好的處理計劃是確保RG引腳具有相同的阻抗。這能夠經過均衡電阻并將開關元件放置在兩個電阻之間來完成，如圖4所示。在這種狀況下，由于開關兩端固有的電容不均衡，多路復用器不起作用。此外，由于多路復用器的漏極短接在一同，RG引腳的一側只能運用一個電阻，這依然會招致不均衡。
?
.jpg)
圖4. 運用均衡配置的分立PGIA
?
在這種狀況下，倡議運用四通道SPST開關，例如ADG5412F。除了開關支持靈敏地運用均衡電阻之外，漏極和源極的電容也是均衡的，CMRR降幅因而減小。圖5比擬了AD8421的增益引腳上運用多路復用器與運用四通道SPST開關兩種狀況下的交流CMRR。
?
.jpg)
圖5. SPST開關與多路復用器配置兩種狀況下的CMRR仿真
?
ADG5412F還具有低導通電阻特性，其在漏極或源極電壓范圍內十分平整，如圖6所示。在漏極或源極電壓范圍內，其額定最大值為1.1Ω?；氐阶畛醯睦?，AD8421的增益為10，增益電阻為1.1kΩ，開關只會引入0.1%的增益非線性。雖然如此，仍有一個漂移重量，其在更高增益時會愈加明顯。
?
.jpg)
圖6. ADG5412F的導通電阻與共模電壓的關系
?
為了消弭開關的寄生電阻效應，能夠運用不同架構的儀表放大器來完成恣意增益。AD8420和AD8237采用間接電流反應(ICF)架構，是請求低功耗和低帶寬的應用的出色選擇。在這種配置中，開關置于高阻抗檢測途徑中，因而增益不受開關導通電阻變化的影響。
?
.jpg)
圖7. 采用間接電流反應的儀表放大器的分立PGIA
?
這些放大器的增益是經過外部電阻的比率來設置的，設置方式與同相放大器相同。這就為用戶提供了更大的靈敏性，由于增益設置電阻能夠依據設計請求來選擇。規(guī)范薄膜或金屬膜電阻的溫度系數可低至15ppm/°C，相應的增益漂移要比運用單個外部電阻設置增益的規(guī)范儀表放大器更好，后者的片內和外部電阻之間的不匹配通常會將增益漂移限制在50ppm/°C左右。為取得最佳增益誤差和漂移性能，能夠運用電阻網絡停止容差和溫度系數跟蹤。不過，這要以犧牲本錢為代價，因而除非確有需求，否則應優(yōu)先選擇分立電阻。
?
另一種處理計劃，也是提供最大靈敏性的處理計劃，是采用分立元件的三運放儀表放大器架構，如圖8所示，經過多路復用器切換增益電阻。與儀表放大器相比，運算放大器可供選擇的范圍要大得多，因而設計人員有更多選擇，這使他們可以盤繞特定設計請求停止設計。濾波等特殊功用也能夠內建于第一級中。第二級的差動放大器完善了這種架構。
?
.jpg)
圖8. 分立PGIA
?
?
輸入放大器的選擇直接取決于DAQ請求。例如，低功耗設計需求運用低靜態(tài)電流的放大器，而預期輸入端會有高阻抗傳感器的系統(tǒng)能夠應用超低偏置電流的放大器來最大限度地減少誤差。應運用雙放大器以更好地跟蹤溫度。
?
能夠留意到，當運用圖8所示配置時，開關的導通電阻也與放大器的高阻抗輸入串聯(lián)，因而它不會影響增益?；貞泴娮枧c開關輸入電容之間的權衡，由于對導通電阻的限制不復存在，所以設計能夠選擇低輸入電容開關，例如ADG1209。這樣，不穩(wěn)定性和交流CMRR降低得以防止。
?
與之前的設計一樣，增益精度和漂移將由電阻決議。能夠選擇具有恰當容差和漂移，契合應用設計請求的分立電阻。同樣，運用電阻網絡能夠完成更高的精度、更好的容差和溫度跟蹤，不過本錢會增加。
?
三運放儀表放大器的第二級擔任抑止共模電壓。此級倡議運用集成電阻網絡的差動放大器，以確保CMRR最佳。關于單端輸出和相對低帶寬的應用，AD8276是一個不錯的選擇。假如需求差分輸出和更高帶寬，能夠運用AD8476。第二級的另一個選擇是運用。第二級的另一個選擇是運用LT5400作為規(guī)范放大器四周的增益設置電阻。這可能會占用更多的電路板空間，但另一方面又給放大器的選擇提供了更大的靈敏性，用戶能夠盤繞特定設計請求停止更多設計。
?
應當留意的是，分立PGIA的規(guī)劃需求當心。電路板規(guī)劃的任何不均衡都會招致CMRR隨頻率而降低。
?
下表總結了每種辦法的優(yōu)缺陷：.jpg)
?
?
分立PGIA設計示例
圖9給出了一個針對特定設計規(guī)格而構建的分立PGIA示例。在這種設計中，所構建的PGIA應具有十分低的功耗。輸入緩沖器選擇LTC2063，其電源電流很低，最大值為2μA。開關元件選擇ADG659，其電源電流很低，最大值為1μA，輸入電容也很低。
?
?
選擇電路中的無源元件時也需求留意，須滿足低功耗請求。無源器件選擇不當會招致電流耗費增大，抵消運用低功耗元件的作用。在這種狀況下，增益電阻需求足夠大，以免耗費太多電流。所選電阻值（用來提供1、2、5和10的增益）如圖9所示。
?
.jpg)
圖9. 低功耗PGIA設計
?
關于第二級差動放大器，LTC2063與LT5400四通道匹配電阻網絡（1MΩ選項）一同運用。這確保了電流耗費最低，并且電阻的準確匹配維護了CMRR性能。
?
該電路采用5V電源供電，并運用不同的共模電壓、差分輸入電壓和增益停止了評價。在基準電壓和輸入堅持在中間電源電壓的最佳條件下，電路僅耗費4.8μA的電流。
?
差分輸入變化時估計電流會有一定的增加，緣由是電流會流過增益電阻，電流值等于|VOUT?–VREF|/(2MΩ||1MΩ)。下面的圖10顯現了不同增益下耗費的電流。由于增益緣由，數據是相關于輸出端丈量。
?
.jpg)
圖10. 電源電流與輸出電壓的關系
?
將不同共模電壓施加于輸入時，電流估計也會增加。施加的電壓將招致電流流過第二級中的電阻，惹起額外的電流耗費，其值等于|VCM?–VREF|/1MΩ。LT5400選擇1MΩ電阻就是特地為了盡量減小這種電流。下面的圖11顯現了共模電壓對不同增益下的電流耗費的影響：
?
.jpg)
圖11. 電源電流與共模電壓的關系
?
?
還丈量了關斷形式下電路的靜態(tài)電流。當一切器件關斷時，電路僅耗費180nA的電流。這不會變化，即便共模電壓、基準電壓和差分輸入等變量發(fā)作變化，只需它們都堅持在電源范圍內即可。一切器件都有關斷選項，以防需求進一步儉省功耗以及用戶希望斷電再重啟。在便攜式電池供電的應用中，該電路十分有用；若非如此，應用集成PGIA是無法完成關鍵規(guī)格的。
?
可編程增益儀表放大器是數據采集范疇的關鍵器件，即便配合不同靈活度的傳感器運用，也能完成良好的SNR性能。運用集成PGIA可縮短設計時間，進步前端的整體直流和交流性能。假如有契合請求的集成PGIA，設計中普通應優(yōu)先運用這樣的器件。但是，當系統(tǒng)請求的規(guī)格無法經過現有集成器件完成時，能夠設計一個分立PGIA。經過遵照正確的設計倡議，即便采用分立辦法也能夠完成最優(yōu)設計，并且能夠評價各種施行辦法以肯定詳細應用的最佳配置。
文章標簽：
ADI
