數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)在許多行業(yè)應(yīng)用普遍，例如研討、剖析、設(shè)計(jì)考證、制造和測(cè)試等。這些系統(tǒng)與各種傳感器接口，從而給前端設(shè)計(jì)帶來(lái)應(yīng)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(fù)載傳感器，同時(shí)還要銜接針對(duì)10V輸出而預(yù)調(diào)理的傳感器。只要一個(gè)增益時(shí)，系統(tǒng)需求具有十分高的分辨率來(lái)檢測(cè)兩個(gè)輸入。即使如此，在最低輸入時(shí)信噪比(SNR)也會(huì)受影響。
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在這些應(yīng)用中，可編程增益儀表放大器(PGIA)是合適前端的處理計(jì)劃，可順應(yīng)各種傳感器接口的靈活度，同時(shí)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(shì)。文中還會(huì)討論相關(guān)限制，以及為滿足特定請(qǐng)求而構(gòu)建分立PGIA時(shí)應(yīng)遵照的指導(dǎo)準(zhǔn)繩。
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集成PGIA
ADI的產(chǎn)品系列中有許多集成PGIA。集成PGIA具有設(shè)計(jì)時(shí)間更短、尺寸更小的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字可調(diào)增益經(jīng)過(guò)內(nèi)部精細(xì)電阻陣列完成。為了優(yōu)化增益、CMRR和失調(diào)，能夠?qū)@些電阻陣列停止片內(nèi)調(diào)整，從而取得良好的整體直流性能。還能夠運(yùn)用設(shè)計(jì)技巧來(lái)完成緊湊的IC規(guī)劃，使寄生效應(yīng)最小，并提供出色的匹配，產(chǎn)生良好的交流性能。由于這些優(yōu)點(diǎn)，假如有契合設(shè)計(jì)請(qǐng)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(guān)鍵規(guī)格。
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表1. 可編程增益儀表放大器規(guī)格
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PGIA的選擇取決于應(yīng)用。AD825x由于具有快速樹(shù)立時(shí)間和高壓擺率，在多路復(fù)用系統(tǒng)中十分有用。AD8231和LTC6915采用零漂移架構(gòu)，適用于需求在很寬溫度范圍內(nèi)提供精度性能的系統(tǒng)。
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還有許多器件集成多路復(fù)用器、PGIA和ADC以構(gòu)成完好的DAQ處理計(jì)劃。實(shí)例有ADAS3022,ADAS3023和AD7124-8.
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表2. DAQ系統(tǒng)規(guī)格
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這些處理計(jì)劃的選擇主要取決于輸入信號(hào)源的規(guī)格。AD7124-8針對(duì)需求極高精度的慢速應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如溫度和壓力丈量。ADAS3022和ADAS3023適用于相對(duì)較高帶寬的應(yīng)用，例如過(guò)程控制或電力線監(jiān)控，但其功耗高于AD7124-8。
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實(shí)現(xiàn)分立PGIA
一些系統(tǒng)可能有一兩個(gè)規(guī)格是上述集成器件無(wú)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(gòu)建自己的PGIA：
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需要更高帶寬的多路復(fù)用系統(tǒng)，掃描速率非常高
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超低功耗
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系統(tǒng)需要定制的增益或衰減
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高阻抗傳感器的低輸入偏置電流
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極低噪聲
設(shè)計(jì)分立PGIA常用的辦法之一是運(yùn)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(gè)多路復(fù)用器來(lái)切換增益電阻以改動(dòng)增益。
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圖1. AD8421和用于切換增益的多路復(fù)用器
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在這種配置中，多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻實(shí)踐上與增益電阻串聯(lián)。該導(dǎo)通電阻隨漏極上的電壓而改動(dòng)，這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題。圖2取自ADG1208數(shù)據(jù)手冊(cè)，展現(xiàn)了這種關(guān)系。
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圖2. ADG1208的導(dǎo)通電阻與漏極電壓的關(guān)系
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導(dǎo)通電阻和增益電阻的串聯(lián)組合招致增益呈現(xiàn)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(guān)于ADG1208，當(dāng)源極或漏極電壓改動(dòng)±15V時(shí)，導(dǎo)通電阻變化幅度高達(dá)40Ω，由此產(chǎn)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(dǎo)通電阻以至可能變得與增益電阻相當(dāng)。
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或者，能夠運(yùn)用低導(dǎo)通電阻的多路復(fù)用器來(lái)降低這種影響，但相應(yīng)的代價(jià)是輸入電容會(huì)更高。表3經(jīng)過(guò)比擬ADG1208和ADG1408闡明了這一點(diǎn)。
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表3. 多路復(fù)用器中導(dǎo)通電阻與電容的權(quán)衡
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開(kāi)關(guān)的輸入電容會(huì)招致圖1所示配置產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題，由于任何給定三引腳運(yùn)放儀表放大器上的RG引腳都對(duì)電容十分敏感。開(kāi)關(guān)電容可能招致該電路呈現(xiàn)峰化或不穩(wěn)定。更大的問(wèn)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(xiàng)關(guān)鍵規(guī)格。圖3中的仿真圖顯現(xiàn)了AD8421的增益引腳上運(yùn)用不同多路復(fù)用器時(shí)CMRR的降低狀況。該圖分明地標(biāo)明，隨著電容的增加，CMRR降幅更大。
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圖3. 運(yùn)用不同開(kāi)關(guān)得到的仿真CMRR
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為了減小交流CMRR降幅，最好的處理計(jì)劃是確保RG引腳具有相同的阻抗。這能夠經(jīng)過(guò)均衡電阻并將開(kāi)關(guān)元件放置在兩個(gè)電阻之間來(lái)完成，如圖4所示。在這種狀況下，由于開(kāi)關(guān)兩端固有的電容不均衡，多路復(fù)用器不起作用。此外，由于多路復(fù)用器的漏極短接在一同，RG引腳的一側(cè)只能運(yùn)用一個(gè)電阻，這依然會(huì)招致不均衡。
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圖4. 運(yùn)用均衡配置的分立PGIA
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在這種狀況下，倡議運(yùn)用四通道SPST開(kāi)關(guān)，例如ADG5412F。除了開(kāi)關(guān)支持靈敏地運(yùn)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(yùn)用多路復(fù)用器與運(yùn)用四通道SPST開(kāi)關(guān)兩種狀況下的交流CMRR。
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圖5. SPST開(kāi)關(guān)與多路復(fù)用器配置兩種狀況下的CMRR仿真
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ADG5412F還具有低導(dǎo)通電阻特性，其在漏極或源極電壓范圍內(nèi)十分平整，如圖6所示。在漏極或源極電壓范圍內(nèi)，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(kāi)關(guān)只會(huì)引入0.1%的增益非線性。雖然如此，仍有一個(gè)漂移重量，其在更高增益時(shí)會(huì)愈加明顯。
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圖6. ADG5412F的導(dǎo)通電阻與共模電壓的關(guān)系
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為了消弭開(kāi)關(guān)的寄生電阻效應(yīng)，能夠運(yùn)用不同架構(gòu)的儀表放大器來(lái)完成恣意增益。AD8420和AD8237采用間接電流反應(yīng)(ICF)架構(gòu)，是請(qǐng)求低功耗和低帶寬的應(yīng)用的出色選擇。在這種配置中，開(kāi)關(guān)置于高阻抗檢測(cè)途徑中，因而增益不受開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻變化的影響。
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圖7. 采用間接電流反應(yīng)的儀表放大器的分立PGIA
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這些放大器的增益是經(jīng)過(guò)外部電阻的比率來(lái)設(shè)置的，設(shè)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(shè)置電阻能夠依據(jù)設(shè)計(jì)請(qǐng)求來(lái)選擇。規(guī)范薄膜或金屬膜電阻的溫度系數(shù)可低至15ppm/°C，相應(yīng)的增益漂移要比運(yùn)用單個(gè)外部電阻設(shè)置增益的規(guī)范儀表放大器更好，后者的片內(nèi)和外部電阻之間的不匹配通常會(huì)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(yùn)用電阻網(wǎng)絡(luò)停止容差和溫度系數(shù)跟蹤。不過(guò)，這要以犧牲本錢為代價(jià)，因而除非確有需求，否則應(yīng)優(yōu)先選擇分立電阻。
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另一種處理計(jì)劃，也是提供最大靈敏性的處理計(jì)劃，是采用分立元件的三運(yùn)放儀表放大器架構(gòu)，如圖8所示，經(jīng)過(guò)多路復(fù)用器切換增益電阻。與儀表放大器相比，運(yùn)算放大器可供選擇的范圍要大得多，因而設(shè)計(jì)人員有更多選擇，這使他們可以盤(pán)繞特定設(shè)計(jì)請(qǐng)求停止設(shè)計(jì)。濾波等特殊功用也能夠內(nèi)建于第一級(jí)中。第二級(jí)的差動(dòng)放大器完善了這種架構(gòu)。
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圖8. 分立PGIA
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輸入放大器的選擇直接取決于DAQ請(qǐng)求。例如，低功耗設(shè)計(jì)需求運(yùn)用低靜態(tài)電流的放大器，而預(yù)期輸入端會(huì)有高阻抗傳感器的系統(tǒng)能夠應(yīng)用超低偏置電流的放大器來(lái)最大限度地減少誤差。應(yīng)運(yùn)用雙放大器以更好地跟蹤溫度。
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能夠留意到，當(dāng)運(yùn)用圖8所示配置時(shí)，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻也與放大器的高阻抗輸入串聯(lián)，因而它不會(huì)影響增益。回憶導(dǎo)通電阻與開(kāi)關(guān)輸入電容之間的權(quán)衡，由于對(duì)導(dǎo)通電阻的限制不復(fù)存在，所以設(shè)計(jì)能夠選擇低輸入電容開(kāi)關(guān)，例如ADG1209。這樣，不穩(wěn)定性和交流CMRR降低得以防止。
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與之前的設(shè)計(jì)一樣，增益精度和漂移將由電阻決議。能夠選擇具有恰當(dāng)容差和漂移，契合應(yīng)用設(shè)計(jì)請(qǐng)求的分立電阻。同樣，運(yùn)用電阻網(wǎng)絡(luò)能夠完成更高的精度、更好的容差和溫度跟蹤，不過(guò)本錢會(huì)增加。
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三運(yùn)放儀表放大器的第二級(jí)擔(dān)任抑止共模電壓。此級(jí)倡議運(yùn)用集成電阻網(wǎng)絡(luò)的差動(dòng)放大器，以確保CMRR最佳。關(guān)于單端輸出和相對(duì)低帶寬的應(yīng)用，AD8276是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。假如需求差分輸出和更高帶寬，能夠運(yùn)用AD8476。第二級(jí)的另一個(gè)選擇是運(yùn)用。第二級(jí)的另一個(gè)選擇是運(yùn)用LT5400作為規(guī)范放大器四周的增益設(shè)置電阻。這可能會(huì)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(pán)繞特定設(shè)計(jì)請(qǐng)求停止更多設(shè)計(jì)。
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應(yīng)當(dāng)留意的是，分立PGIA的規(guī)劃需求當(dāng)心。電路板規(guī)劃的任何不均衡都會(huì)招致CMRR隨頻率而降低。
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下表總結(jié)了每種辦法的優(yōu)缺陷：.jpg)
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分立PGIA設(shè)計(jì)示例
圖9給出了一個(gè)針對(duì)特定設(shè)計(jì)規(guī)格而構(gòu)建的分立PGIA示例。在這種設(shè)計(jì)中，所構(gòu)建的PGIA應(yīng)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(kāi)關(guān)元件選擇ADG659，其電源電流很低，最大值為1μA，輸入電容也很低。
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選擇電路中的無(wú)源元件時(shí)也需求留意，須滿足低功耗請(qǐng)求。無(wú)源器件選擇不當(dāng)會(huì)招致電流耗費(fèi)增大，抵消運(yùn)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(fèi)太多電流。所選電阻值（用來(lái)提供1、2、5和10的增益）如圖9所示。
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圖9. 低功耗PGIA設(shè)計(jì)
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關(guān)于第二級(jí)差動(dòng)放大器，LTC2063與LT5400四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)（1MΩ選項(xiàng)）一同運(yùn)用。這確保了電流耗費(fèi)最低，并且電阻的準(zhǔn)確匹配維護(hù)了CMRR性能。
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該電路采用5V電源供電，并運(yùn)用不同的共模電壓、差分輸入電壓和增益停止了評(píng)價(jià)。在基準(zhǔn)電壓和輸入堅(jiān)持在中間電源電壓的最佳條件下，電路僅耗費(fèi)4.8μA的電流。
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差分輸入變化時(shí)估計(jì)電流會(huì)有一定的增加，緣由是電流會(huì)流過(guò)增益電阻，電流值等于|VOUT?–VREF|/(2MΩ||1MΩ)。下面的圖10顯現(xiàn)了不同增益下耗費(fèi)的電流。由于增益緣由，數(shù)據(jù)是相關(guān)于輸出端丈量。
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圖10. 電源電流與輸出電壓的關(guān)系
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將不同共模電壓施加于輸入時(shí)，電流估計(jì)也會(huì)增加。施加的電壓將招致電流流過(guò)第二級(jí)中的電阻，惹起額外的電流耗費(fèi)，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(xiàn)了共模電壓對(duì)不同增益下的電流耗費(fèi)的影響：
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圖11. 電源電流與共模電壓的關(guān)系
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還丈量了關(guān)斷形式下電路的靜態(tài)電流。當(dāng)一切器件關(guān)斷時(shí)，電路僅耗費(fèi)180nA的電流。這不會(huì)變化，即便共模電壓、基準(zhǔn)電壓和差分輸入等變量發(fā)作變化，只需它們都堅(jiān)持在電源范圍內(nèi)即可。一切器件都有關(guān)斷選項(xiàng)，以防需求進(jìn)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(yīng)用中，該電路十分有用；若非如此，應(yīng)用集成PGIA是無(wú)法完成關(guān)鍵規(guī)格的。
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可編程增益儀表放大器是數(shù)據(jù)采集范疇的關(guān)鍵器件，即便配合不同靈活度的傳感器運(yùn)用，也能完成良好的SNR性能。運(yùn)用集成PGIA可縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，進(jìn)步前端的整體直流和交流性能。假如有契合請(qǐng)求的集成PGIA，設(shè)計(jì)中普通應(yīng)優(yōu)先運(yùn)用這樣的器件。但是，當(dāng)系統(tǒng)請(qǐng)求的規(guī)格無(wú)法經(jīng)過(guò)現(xiàn)有集成器件完成時(shí)，能夠設(shè)計(jì)一個(gè)分立PGIA。經(jīng)過(guò)遵照正確的設(shè)計(jì)倡議，即便采用分立辦法也能夠完成最優(yōu)設(shè)計(jì)，并且能夠評(píng)價(jià)各種施行辦法以肯定詳細(xì)應(yīng)用的最佳配置。
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