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ADI读书活动第八十九期:可编程增益仪表放大器

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发表于 2019-4-15 17:09:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
简介

数据采集系统(DAQ)在许多行业应用广泛,例如研究、分析、设计验证、制造和测试等。这些系统与各种传感器接口,从而给前端设计带来挑战。必须考虑不同传感器的灵敏度,例如,系统可能需要连接最大输出为10 mV和灵敏度为微伏以下的负载传感器,同时还要连接针对10 V输出而预调理的传感器。只有一个增益时,系统需要具有非常高的分辨率来检测两个输入。即便如此,在最低输入时信噪比(SNR)也会受影响。

在这些应用中,可编程增益仪表放大器(PGIA)是适合前端的解决方案,可适应各种传感器接口的灵敏度,同时优化SNR。集成PGIA可实现良好的直流和交流规格。本文讨论各种集成PGIA及其优势。文中还会讨论相关限制,以及为满足特定要求而构建分立PGIA时应遵循的指导原则。

集成PGIA

ADI公司的产品系列中有许多集成PGIA。集成PGIA具有设计时间更短、尺寸更小的优势。数字可调增益通过内部精密电阻阵列实现。为了优化增益、CMRR和失调,可以对这些电阻阵列进行片内调整,从而获得良好的整体直流性能。还可以运用设计技巧来实现紧凑的IC布局,使寄生效应最小,并提供出色的匹配,产生良好的交流性能。由于这些优点,如果有符合设计要求的PGIA,强烈建议选择这样的器件。表1列出了可用的集成PGIA以及一些关键规格。

PGIA的选择取决于应用。AD825x由于具有快速建立时间和高压摆率,在多路复用系统中非常有用。 AD8231 和 LTC6915采用零漂移架构,适用于需要在很宽温度范围内提供精度性能的系统。

还有许多器件集成多路复用器、PGIA和ADC以形成完整的DAQ解决方案。实例有 ADAS3022, ADAS3023 和 AD7124-8.

这些解决方案的选择主要取决于输入信号源的规格。AD7124-8针对需要极高精度的慢速应用而设计,例如温度和压力测量。ADAS3022和ADAS3023适用于相对较高带宽的应用,例如过程控制或电力线监控,但其功耗高于AD7124-8。
实现分立PGIA

一些系统可能有一两个规格是上述集成器件无法满足的。通常,若存在以下要求,则用户需要利用分立器件构建自己的PGIA:

  • 需要更高带宽的多路复用系统,扫描速率非常高
  • 超低功耗系统需要定制的增益或衰减
  • 高阻抗传感器的低输入偏置电流
  • 极低噪声

设计分立PGIA常用的方法之一是使用具有所需输入特性的仪表放大器,例如低噪声AD8421,并搭配一个多路复用器来切换增益电阻以改变增益。


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图1. AD8421和用于切换增益的多路复用器

在这种配置中,多路复用器的导通电阻实际上与增益电阻串联。该导通电阻随漏极上的电压而改变,这就带来一个问题。图2取自 ADG1208 数据手册,展示了这种关系。


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图2. ADG1208的导通电阻与漏极电压的关系

导通电阻和增益电阻的串联组合导致增益出现非线性误差。这意味着增益将随共模电压而变化,这是很不好的。例如,AD8421需要1.1 kΩ的增益电阻以获得10倍增益。对于ADG1208,当源极或漏极电压改变±15 V时,导通电阻变化幅度高达40 Ω,由此产生的增益非线性误差约为3%。若增益更大,该误差将变得更加明显,导通电阻甚至可能变得与增益电阻相当。

或者,可以使用低导通电阻的多路复用器来降低这种影响,但相应的代价是输入电容会更高。

开关的输入电容会导致图1所示配置产生另一个问题,因为任何给定三引脚运放仪表放大器上的RG引脚都对电容非常敏感。开关电容可能导致该电路出现峰化或不稳定。更大的问题是RG引脚上的电容不平衡导致交流共模抑制比(CMRR)降低,而CMRR是仪表放大器的一项关键规格。图3中的仿真图显示了AD8421的增益引脚上使用不同多路复用器时CMRR的降低情况。该图清楚地表明,随着电容的增加,CMRR降幅更大。


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图3. 使用不同开关得到的仿真CMRR

为了减小交流CMRR降幅,最好的解决方案是确保RG引脚具有相同的阻抗。这可以通过平衡电阻并将开关元件放置在两个电阻之间来实现,如图4所示。在这种情况下,由于开关两端固有的电容不平衡,多路复用器不起作用。此外,由于多路复用器的漏极短接在一起,RG引脚的一侧只能使用一个电阻,这仍然会导致不平衡。


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图4. 使用平衡配置的分立PGIA

在这种情况下,建议使用四通道SPST开关,例如 ADG5412F 。除了开关支持灵活地使用平衡电阻之外,漏极和源极的电容也是平衡的,CMRR降幅因此减小。图5比较了AD8421的增益引脚上使用多路复用器与使用四通道SPST开关两种情况下的交流CMRR。


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图5. SPST开关与多路复用器配置两种情况下的CMRR仿真


Q&A:
1、ADI公司的产品系列PGIA的特点
2、什么要求下,用户需要利用分立器件构建自己的PGIA
3、简述ADG5412F的特性

时间:4月15日——5月15日
奖励:将从答对问题的网友中抽取3位获得20元京东券(都回答对的取前三个网友)

附上期获奖网友名单

ufoer11、wujianwei3980-5、gaon2

请以上3位尽快联系管理员,qq:1170894008,注明读书月活动获奖。领奖截止时间:4-30

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1、ADI公司的产品系列PGIA的特点
ADI公司的产品系列中有许多集成PGIA。集成PGIA具有设计时间更短、尺寸更小的优势。数字可调增益通过内部精密电阻阵列实现。为了优化增益、CMRR和失调,可以对这些电阻阵列进行片内调整,从而获得良好的整体直流性能。还可以运用设计技巧来实现紧凑的IC布局,使寄生效应最小,并提供出色的匹配,产生良好的交流性能。
2、什么要求下,用户需要利用分立器件构建自己的PGIA
一些系统可能有一两个规格是上述集成器件无法满足的。通常,若存在以下要求,则用户需要利用分立器件构建自己的PGIA:
需要更高带宽的多路复用系统,扫描速率非常高
超低功耗
系统需要定制的增益或衰减
高阻抗传感器的低输入偏置电流
极低噪声
3、简述ADG5412F的特性
ADG5412F 。除了开关支持灵活地使用平衡电阻之外,漏极和源极的电容也是平衡的,CMRR降幅因此减小,ADG5412F还具有低导通电阻特性,其在漏极或源极电压范围内非常平坦。在漏极或源极电压范围内,其额定最大值为1.1 Ω。
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