可編程增益儀表放大器：尋找合適的器件

　　ADG5412F還具有低導通電阻特性，其在漏極或源極電壓范圍內非常平坦，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。回到最初的例子，AD8421的增益為10，增益電阻為1.1 kΩ，開關只會引入0.1%的增益非線性。盡管如此，仍有一個漂移分量，其在更高增益時會更加明顯。

　　圖6.ADG5412F的導通電阻與共模電壓的關系

　　為了消除開關的寄生電阻效應，可以使用不同架構的儀表放大器來實現任意增益。AD8420和AD8237采用間接電流反饋(ICF)架構，是要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路徑中，因此增益不受開關導通電阻變化的影響。

　　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活性，因為增益設置電阻可以根據設計要求來選擇。標準薄膜或金屬膜電阻的溫度系數可低至15 ppm/°C，相應的增益漂移要比使用單個外部電阻設置增益的標準儀表放大器更好，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，可以使用電阻網絡進行容差和溫度系數跟蹤。不過，這要以犧牲成本為代價，因此除非確有需要，否則應優先選擇分立電阻。

　　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放儀表放大器架構，如圖8所示，通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，因此設計人員有更多選擇，這使他們能夠圍繞特定設計要求進行設計。濾波等特殊功能也可以內建于第一級中。第二級的差動放大器完善了這種架構。

　　圖8.分立PGIA

　　輸入放大器的選擇直接取決于DAQ要求。例如，低功耗設計需要使用低靜態電流的放大器，而預期輸入端會有高阻抗傳感器的系統可以利用超低偏置電流的放大器來最大限度地減少誤差。應使用雙放大器以更好地跟蹤溫度。

　　可以注意到，當使用圖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，因此它不會影響增益。回顧導通電阻與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，所以設計可以選擇低輸入電容開關，例如ADG1209。這樣，不穩定性和交流CMRR降低得以避免。

　　與之前的設計一樣，增益精度和漂移將由電阻決定。可以選擇具有適當容差和漂移，符合應用設計要求的分立電阻。同樣，使用電阻網絡可以實現更高的精度、更好的容差和溫度跟蹤，不過成本會增加。

　　三運放儀表放大器的第二級負責抑制共模電壓。此級建議使用集成電阻網絡的差動放大器，以確保CMRR最佳。對于單端輸出和相對低帶寬的應用，AD8276是一個不錯的選擇。如果需要差分輸出和更高帶寬，可以使用AD8476。第二級的另一個選擇是使用LT5400作為標準放大器周圍的增益設置電阻。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活性，用戶可以圍繞特定設計要求進行更多設計。

　　應當注意的是，分立PGIA的布局需要小心。電路板布局的任何不平衡都會導致CMRR隨頻率而降低。

　　下表總結了每種方法的優缺點：

　　分立PGIA設計示例

　　圖9給出了一個針對特定設計規格而構建的分立PGIA示例。在這種設計中，所構建的PGIA應具有非常低的功耗。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要注意，須滿足低功耗要求。無源器件選擇不當會導致電流消耗增大，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現方法的比較

　　圖9.低功耗PGIA設計

　　對于第二級差動放大器，LTC2063與LT5400四通道匹配電阻網絡(1 MΩ選項)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行了評估。在基準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。

　　差分輸入變化時預計電流會有一定的增加，原因是電流會流過增益電阻，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，數據是相對于輸出端測量。

　　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，電流預計也會增加。施加的電壓將導致電流流過第二級中的電阻，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系

　　還測量了關斷模式下電路的靜態電流。當所有器件關斷時，電路僅消耗180 nA的電流。這不會變化，即使共模電壓、基準電壓和差分輸入等變量發生變化，只要它們都保持在電源范圍內即可。所有器件都有關斷選項，以防需要進一步節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，該電路非常有用;若非如此，利用集成PGIA是無法實現關鍵規格的。

　　結論

　　可編程增益儀表放大器是數據采集領域的關鍵器件，即使配合不同靈敏度的傳感器使用，也能實現良好的SNR性能。使用集成PGIA可縮短設計時間，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，設計中一般應優先使用這樣的器件。但是，當系統要求的規格無法通過現有集成器件實現時，可以設計一個分立PGIA。通過遵循正確的設計建議，即使采用分立方法也可以實現最優設計，并且可以評估各種實施方法以確定具體應用的最佳配置。

　　作者感謝Scott Hunt和Paul Blanchard對本文的技術貢獻。

　　Kristina Fortunado

　　Kristina Fortunado [kristina.fortunado@analog.com]于2009年加入ADI公司，目前擔任線性產品與解決方案部門的產品應用工程師。她畢業于德拉薩大學，獲得電子和通信工程學士學位。