數據采集應用：可編程增益儀表放大器設計

數據采集系統和可編程邏輯控制器（PLC）需要多功能的高性能模擬前端，以便與各種傳感器進行接口，來精確、可靠地測量信號。根據傳感器具體類型和待測電壓/電流幅度的不同，信號可能需要放大或衰減，從而匹配模數轉換器（ADC）的滿量程輸入范圍，以供進一步的數字處理和反饋控制。

　　數據采集系統的典型電壓測量范圍是從±0.1 V到±10 V。通過選擇正確的電壓范圍，用戶間接的更改系統增益，使模數轉換器（ADC）輸入端的采樣電壓幅度最大，進而最大程度地提高信噪比（SNR）和測量精度。在典型的數據采集系統中，需要衰減的信號與需要放大的信號分別通過不同的信號路徑進行處理，這通常導致系統設計更為復雜，需要額外的器件，并且占用更多的電路板空間。在同一信號路徑中實現衰減和放大的解決方案一般使用可編程增益放大器和可變增益放大器，但這些放大器往往不能提供許多工業和儀器儀表應用所需的高直流精度和溫度穩定性。

　　有一種方法可以構建一個強大的模擬前端，以便在單一信號路徑中實現衰減和放大，并且提供差分輸出來驅動高性能模數轉換器，如圖1所示，將一個可編程增益儀表放大器（PGIA），如 AD8250 （增益為1、2、5或10）， AD8251（增益為1、2、4或8）或AD8253（增益為1、10、100或1000）等，與一個全差分漏斗（衰減）放大器，如AD8475等級聯。該解決方案簡單靈活，具有高速特性，并提供出色的精度和溫度穩定性。

　　上述可編程增益儀表放大器提供5.3 GΩ差分輸入阻抗和–110 dB總諧波失真（THD），非常適合與各種傳感器接口。當增益為10時，AD8250的保證特性包括：3 MHz帶寬、18 nV/√Hz電壓噪聲、685 ns的0.001%建立時間、1.7 μV/°C失調漂移、10 ppm/°C增益漂移以及90 dB共模抑制比（DC至50 kHz）。精密直流性能與高速能力的結合，使得這些放大器非常適合具有多路復用輸入的數據采集應用。

　　AD8475是一款高速、集成精密電阻的全差分漏斗放大器，提供0.4或0.8倍的精密衰減、共模電平轉換、單端差分轉換及輸入過壓保護等功能。這個易于使用、完全集成的精密增益模塊采用+5 V單電源供電時，可以處理最高±10 V的信號電平。因此，它能使工業電平信號與低壓、高性能、采樣速率高達4 MSPS的16位和18位逐次逼近（SAR）型ADC的差分輸入范圍匹配。

　　如圖1所示，AD825x和AD8475配合工作，構成一個靈活的高性能模擬前端。表1列出了可以實現的增益組合，具體取決于輸入和輸出電壓范圍要求。

　　圖1. 使用AD825x PGIA和AD8475差分輸出漏斗放大器的數據采集模擬前端

　　表1. AD8475與AD8250、AD8251或AD8253組合可以實現的輸入電壓范圍和增益

能力：輸入電壓范圍和帶寬

　　采用±15 V電源供電時，AD825x系列PGIA的最大輸入電壓范圍約為±13.5 V（AD8250和AD8251提供最高超過電源軌13 V的額外過壓保護）。在本應用中，對PGIA輸入電壓范圍的有效限制由ADC輸入的滿量程電壓范圍和從傳感器到ADC的信號路徑增益設置。例如，18位2 MSPS PulSAR ADCAD7986采用2.5 V單電源供電，典型基準電壓為4.096 V，其差分輸入支持最高±4.096 V的電壓（輸入電壓0 V至4.096 V和4.096 V至0 V）。如果模擬前端的總增益設置為0.4，即AD825x的增益為1，AD8475的增益為0.4，則系統可以處理的輸入信號最大幅度為±10.24 V。

　　為了確定系統所需的增益設置組合，應考慮ADC （VFS）的滿量程輸入電壓以及傳感器預計會提供的最小/最大電流或電壓電平。