可編程增益儀表放大器：尋找合適的器件

　　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)非常平坦，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1.1 kΩ，開關(guān)只會(huì)引入0.1%的增益非線性。盡管如此，仍有一個(gè)漂移分量，其在更高增益時(shí)會(huì)更加明顯。

　　圖6.ADG5412F的導(dǎo)通電阻與共模電壓的關(guān)系

　　為了消除開關(guān)的寄生電阻效應(yīng)，可以使用不同架構(gòu)的儀表放大器來實(shí)現(xiàn)任意增益。AD8420和AD8237采用間接電流反饋(ICF)架構(gòu)，是要求低功耗和低帶寬的應(yīng)用的出色選擇。在這種配置中，開關(guān)置于高阻抗檢測(cè)路徑中，因此增益不受開關(guān)導(dǎo)通電阻變化的影響。

　　圖7.采用間接電流反饋的儀表放大器的分立PGIA

　　這些放大器的增益是通過外部電阻的比率來設(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活性，因?yàn)樵鲆嬖O(shè)置電阻可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求來選擇。標(biāo)準(zhǔn)薄膜或金屬膜電阻的溫度系數(shù)可低至15 ppm/°C，相應(yīng)的增益漂移要比使用單個(gè)外部電阻設(shè)置增益的標(biāo)準(zhǔn)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50 ppm/°C左右。為獲得最佳增益誤差和漂移性能，可以使用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行容差和溫度系數(shù)跟蹤。不過，這要以犧牲成本為代價(jià)，因此除非確有需要，否則應(yīng)優(yōu)先選擇分立電阻。

　　另一種解決方案，也是提供最大靈活性的解決方案，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，通過多路復(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，因此設(shè)計(jì)人員有更多選擇，這使他們能夠圍繞特定設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。濾波等特殊功能也可以內(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)。

　　圖8.分立PGIA

　　輸入放大器的選擇直接取決于DAQ要求。例如，低功耗設(shè)計(jì)需要使用低靜態(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)可以利用超低偏置電流的放大器來最大限度地減少誤差。應(yīng)使用雙放大器以更好地跟蹤溫度。

　　可以注意到，當(dāng)使用圖8所示配置時(shí)，開關(guān)的導(dǎo)通電阻也與放大器的高阻抗輸入串聯(lián)，因此它不會(huì)影響增益?；仡檶?dǎo)通電阻與開關(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)可以選擇低輸入電容開關(guān)，例如ADG1209。這樣，不穩(wěn)定性和交流CMRR降低得以避免。

　　與之前的設(shè)計(jì)一樣，增益精度和漂移將由電阻決定?？梢赃x擇具有適當(dāng)容差和漂移，符合應(yīng)用設(shè)計(jì)要求的分立電阻。同樣，使用電阻網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)更高的精度、更好的容差和溫度跟蹤，不過成本會(huì)增加。

　　三運(yùn)放儀表放大器的第二級(jí)負(fù)責(zé)抑制共模電壓。此級(jí)建議使用集成電阻網(wǎng)絡(luò)的差動(dòng)放大器，以確保CMRR最佳。對(duì)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。如果需要差分輸出和更高帶寬，可以使用AD8476。第二級(jí)的另一個(gè)選擇是使用LT5400作為標(biāo)準(zhǔn)放大器周圍的增益設(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活性，用戶可以圍繞特定設(shè)計(jì)要求進(jìn)行更多設(shè)計(jì)。

　　應(yīng)當(dāng)注意的是，分立PGIA的布局需要小心。電路板布局的任何不平衡都會(huì)導(dǎo)致CMRR隨頻率而降低。

　　下表總結(jié)了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

　　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)具有非常低的功耗。輸入緩沖器選擇LTC2063，其電源電流很低，最大值為2μA。開關(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。

　　選擇電路中的無源元件時(shí)也需要注意，須滿足低功耗要求。無源器件選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電流消耗增大，抵消使用低功耗元件的作用。在這種情況下，增益電阻需要足夠大，以免消耗太多電流。所選電阻值(用來提供1、2、5和10的增益)如圖9所示。

　　表4.可編程增益儀表放大器不同實(shí)現(xiàn)方法的比較

　　圖9.低功耗PGIA設(shè)計(jì)

　　對(duì)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)(1 MΩ選項(xiàng))一起使用。這確保了電流消耗最低，并且電阻的精確匹配保護(hù)了CMRR性能。

　　該電路采用5 V電源供電，并使用不同的共模電壓、差分輸入電壓和增益進(jìn)行了評(píng)估。在基準(zhǔn)電壓和輸入保持在中間電源電壓的最佳條件下，電路僅消耗4.8μA的電流。

　　差分輸入變化時(shí)預(yù)計(jì)電流會(huì)有一定的增加，原因是電流會(huì)流過增益電阻，電流值等于|VOUT – VREF|/(2 MΩ||1 MΩ)。下面的圖10顯示了不同增益下消耗的電流。由于增益原因，數(shù)據(jù)是相對(duì)于輸出端測(cè)量。

　　圖10.電源電流與輸出電壓的關(guān)系

　　將不同共模電壓施加于輸入時(shí)，電流預(yù)計(jì)也會(huì)增加。施加的電壓將導(dǎo)致電流流過第二級(jí)中的電阻，引起額外的電流消耗，其值等于|VCM – VREF|/1 MΩ。LT5400選擇1 MΩ電阻就是專門為了盡量減小這種電流。下面的圖11顯示了共模電壓對(duì)不同增益下的電流消耗的影響：

　　圖11.電源電流與共模電壓的關(guān)系

　　還測(cè)量了關(guān)斷模式下電路的靜態(tài)電流。當(dāng)所有器件關(guān)斷時(shí)，電路僅消耗180 nA的電流。這不會(huì)變化，即使共模電壓、基準(zhǔn)電壓和差分輸入等變量發(fā)生變化，只要它們都保持在電源范圍內(nèi)即可。所有器件都有關(guān)斷選項(xiàng)，以防需要進(jìn)一步節(jié)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，該電路非常有用;若非如此，利用集成PGIA是無法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵規(guī)格的。

　　結(jié)論

　　可編程增益儀表放大器是數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，即使配合不同靈敏度的傳感器使用，也能實(shí)現(xiàn)良好的SNR性能。使用集成PGIA可縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高前端的整體直流和交流性能。如果有符合要求的集成PGIA，設(shè)計(jì)中一般應(yīng)優(yōu)先使用這樣的器件。但是，當(dāng)系統(tǒng)要求的規(guī)格無法通過現(xiàn)有集成器件實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)分立PGIA。通過遵循正確的設(shè)計(jì)建議，即使采用分立方法也可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，并且可以評(píng)估各種實(shí)施方法以確定具體應(yīng)用的最佳配置。

　　作者感謝Scott Hunt和Paul Blanchard對(duì)本文的技術(shù)貢獻(xiàn)。

　　Kristina Fortunado

　　Kristina Fortunado [kristina.fortunado@analog.com]于2009年加入ADI公司，目前擔(dān)任線性產(chǎn)品與解決方案部門的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。她畢業(yè)于德拉薩大學(xué)，獲得電子和通信工程學(xué)士學(xué)位。