Home on the Range: Getting Multiple Gain Ranges With Instrumentation Amplifiers 直擊增益范圍：利用儀表放大器獲得多個增益范圍

問：

我有一個儀表放大器，但我需要更寬的動態范圍，而不是單一增益。我可以通過多路復用增益電阻來獲得可編程增益嗎？ 

答：

為了實現高精度傳感器測量動態范圍的最大化，可能需要使用可編程增益儀表放大器(PGIA)。由于大多數儀表放大器使用外部增益電阻(RG)來設置增益，似乎通過一組多路復用增益電阻就可以實現所需的可編程增益。雖然這是可能的，但在以這種方式將固態多路復用器施加于系統之前需要考慮三個主要問題：電源與信號電壓的限制、開關電容和導通電阻。

圖1.AD8421 PGIA帶有多路復用器。

保持在信號電壓范圍內

固態CMOS開關需電源供電。源電壓或漏極電壓超過電源電壓時，故障電流流過，會導致輸出不正確。每個電阻RG引腳的電壓通常處于二極管相應輸入端的壓降范圍內；因此，該開關的信號電壓范圍須大于儀表放大器的輸入范圍。

考慮電容

該開關電容類似于將電容懸于其中一個RG引腳上，并保持另一個RG引腳不變。足夠大的電容可能導致峰化或不穩定，但更容易被忽視的問題是對共模抑制比的影響。在電路板布局中，接地層一般從Rg引腳下方移除，因為小于1 pF的電容不平衡會大大降低AC CMRR。開關電容可為幾十pF，會導致較大誤差。以具有完美CMRR的儀表放大器為簡單示例，不存在RG，僅在一個RG引腳上存在電容，由電容引起的CMRR的估算如下：

MRR(f) = –20 × log10 (f × 2π × CRG × RF)

例如，如果內部反饋電阻RF = 25 kΩ，CRG = 10 pF，則10 kHz時的CMRR僅為36 dB。這表明需要使用低電容開關或平衡開關架構，如圖2所示的SPST開關。

關于阻抗

最后，根據儀表放大器的增益公式，開關的導通電阻直接影響增益。如果導通電阻足夠低，以至于仍能實現所需增益，這或許可行。然而，此開關的導通電阻隨漏極電壓發生變化（指定為RFLAT(ON)）。開關電阻的變化使增益既依賴于共模電壓，又會產生非線性效應。例如，使用1 kΩ的RG和具有10 Ω RFLAT(ON)的開關，在共模范圍內會引起1％的增益不確定性。一部分將轉化為差分信號（即2 ?變化將會引起2000 ppm的非線性度）。這表明需要使用低導通電阻開關，與上述建議的低電容開關截然相反，因為大尺寸晶體管器件尺寸可實現低導通電阻，而小尺寸晶體管可實現低電容。ADG5412F故障保護四通道SPST開關在許多情況下提供了很好的解決方案。這些故障保護開關的架構能夠提供10 Ω的導通電阻，在整個信號范圍內，導通電阻曲線非常平坦，并且關斷電容僅為12 pF。

圖2.采用ADG5412F四通道SPST和AD8421的平衡式PGIA。

了解替代方案

如果這些電路仍不能滿足設計要求，還可以采用其他方法來實現儀表放大器的可編程增益功能。強烈建議選擇集成式PGIA（如果有合適的）。集成式PGIA旨在實現高性能、更小的尺寸，比分立解決方案的寄生效應更少，并且規格包含內部開關效應。AD8231、AD8250/AD8251/AD8253以及LTC6915便是集成式PGIA很好的例子。此外，還有一些更高集成度的解決方案包含此功能，如AD7124-8和ADAS3022。

結論

儀表放大器是在芯片級盡可能保持平衡的高精度元件，以實現共模抑制。使用固態開關的確有可能構建可編程增益儀表放大器，但是這種方式也非常容易使儀表放大器失去其特有的平衡，同時降低電路精度。為了進行必要的取舍，需要考慮開關的非理想效應。平衡開關架構和現代開關（如ADG5412F）是優化這些設計的利器。建議使用集成式PGIA，因為它們已經在規格中考慮了開關效應。