【導(dǎo)讀】數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)在許多行業(yè)應(yīng)用廣泛，例如研究、分析、設(shè)計(jì)驗(yàn)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(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。必須考慮不同傳感器的靈敏度，例如，系統(tǒng)可能需要連接最大輸出為10 mV和靈敏度為微伏以下的負(fù)載傳感器，同時(shí)還要連接針對(duì)10 V輸出而預(yù)調(diào)理的傳感器。只有一個(gè)增益時(shí)，系統(tǒng)需要具有非常高的分辨率來檢測兩個(gè)輸入。即便如此，在最低輸入時(shí)信噪比(SNR)也會(huì)受影響。
在這些應(yīng)用中，可編程增益儀表放大器(PGIA)是適合前端的解決方案，可適應(yīng)各種傳感器接口的靈敏度，同時(shí)優(yōu)化SNR。集成PGIA可實(shí)現(xiàn)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，以及為滿足特定要求而構(gòu)建分立PGIA時(shí)應(yīng)遵循的指導(dǎo)原則。
集成PGIA
ADI公司的產(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)增益通過內(nèi)部精密電阻陣列實(shí)現(xiàn)。為了優(yōu)化增益、CMRR和失調(diào)，可以對(duì)這些電阻陣列進(jìn)行片內(nèi)調(diào)整，從而獲得良好的整體直流性能。還可以運(yùn)用設(shè)計(jì)技巧來實(shí)現(xiàn)緊湊的IC布局，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)，如果有符合設(shè)計(jì)要求的PGIA，強(qiáng)烈建議選擇這樣的器件。表1列出了可用的集成PGIA以及一些關(guān)鍵規(guī)格。
表1. 可編程增益儀表放大器規(guī)格
PGIA的選擇取決于應(yīng)用。AD825x由于具有快速建立時(shí)間和高壓擺率，在多路復(fù)用系統(tǒng)中非常有用。 AD8231 和 LTC6915采用零漂移架構(gòu)，適用于需要在很寬溫度范圍內(nèi)提供精度性能的系統(tǒng)。
還有許多器件集成多路復(fù)用器、PGIA和ADC以形成完整的DAQ解決方案。實(shí)例有 ADAS3022, ADAS3023 和 AD7124-8.
表2. DAQ系統(tǒng)規(guī)格
這些解決方案的選擇主要取決于輸入信號(hào)源的規(guī)格。AD7124-8針對(duì)需要極高精度的慢速應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如溫度和壓力測量。ADAS3022和ADAS3023適用于相對(duì)較高帶寬的應(yīng)用，例如過程控制或電力線監(jiān)控，但其功耗高于AD7124-8。
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：
● 需要更高帶寬的多路復(fù)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(shè)計(jì)分立PGIA常用的方法之一是使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)用器來切換增益電阻以改變?cè)鲆妗?/div>
圖1. AD8421和用于切換增益的多路復(fù)用器
在這種配置中，多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻實(shí)際上與增益電阻串聯(lián)。該導(dǎo)通電阻隨漏極上的電壓而改變，這就帶來一個(gè)問題。圖2取自 ADG1208 數(shù)據(jù)手冊(cè)，展示了這種關(guān)系。
圖2. ADG1208的導(dǎo)通電阻與漏極電壓的關(guān)系
導(dǎo)通電阻和增益電阻的串聯(lián)組合導(dǎo)致增益出現(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需要1.1 kΩ的增益電阻以獲得10倍增益。對(duì)于ADG1208，當(dāng)源極或漏極電壓改變±15 V時(shí)，導(dǎo)通電阻變化幅度高達(dá)40 Ω，由此產(chǎn)生的增益非線性誤差約為3%。若增益更大，該誤差將變得更加明顯，導(dǎo)通電阻甚至可能變得與增益電阻相當(dāng)。
或者，可以使用低導(dǎo)通電阻的多路復(fù)用器來降低這種影響，但相應(yīng)的代價(jià)是輸入電容會(huì)更高。表3通過比較ADG1208和ADG1408說明了這一點(diǎn)。
表3. 多路復(fù)用器中導(dǎo)通電阻與電容的權(quán)衡
開關(guān)的輸入電容會(huì)導(dǎo)致圖1所示配置產(chǎn)生另一個(gè)問題，因?yàn)槿魏谓o定三引腳運(yùn)放儀表放大器上的RG引腳都對(duì)電容非常敏感。開關(guān)電容可能導(dǎo)致該電路出現(xiàn)峰化或不穩(wěn)定。更大的問題是RG引腳上的電容不平衡導(dǎo)致交流共模抑制比(CMRR)降低，而CMRR是儀表放大器的一項(xiàng)關(guān)鍵規(guī)格。圖3中的仿真圖顯示了AD8421的增益引腳上使用不同多路復(fù)用器時(shí)CMRR的降低情況。該圖清楚地表明，隨著電容的增加，CMRR降幅更大。
圖3. 使用不同開關(guān)得到的仿真CMRR
為了減小交流CMRR降幅，最好的解決方案是確保RG引腳具有相同的阻抗。這可以通過平衡電阻并將開關(guān)元件放置在兩個(gè)電阻之間來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。在這種情況下，由于開關(guān)兩端固有的電容不平衡，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起，RG引腳的一側(cè)只能使用一個(gè)電阻，這仍然會(huì)導(dǎo)致不平衡。
圖4. 使用平衡配置的分立PGIA
在這種情況下，建議使用四通道SPST開關(guān)，例如 ADG5412F 。除了開關(guān)支持靈活地使用平衡電阻之外，漏極和源極的電容也是平衡的，CMRR降幅因此減小。圖5比較了AD8421的增益引腳上使用多路復(fù)用器與使用四通道SPST開關(guān)兩種情況下的交流CMRR。
圖5. SPST開關(guān)與多路復(fù)用器配置兩種情況下的CMRR仿真
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1.1 Ω。回到最初的例子，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。回顧導(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。可以選擇具有適當(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。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)：
表4. 可編程增益儀表放大器不同實(shí)現(xiàn)方法的比較
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2 μA。開關(guān)元件選擇 ADG659， 其電源電流很低，最大值為1 μA，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。
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4.8 μA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。
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