可编程增益仪表放大器：寻找合适的器件

　　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，如图6所示。在漏极或源极电压范围内，其额定最大值为1.1Ω。回到最初的例子，AD8421的增益为10，增益电阻为1.1 kΩ，开关只会引入0.1%的增益非线性。尽管如此，仍有一个漂移分量，其在更高增益时会更加明显。

　　图6.ADG5412F的导通电阻与共模电压的关系

　　为了消除开关的寄生电阻效应，可以使用不同架构的仪表放大器来实现任意增益。AD8420和AD8237采用间接电流反馈(ICF)架构，是要求低功耗和低带宽的应用的出色选择。在这种配置中，开关置于高阻抗检测路径中，因此增益不受开关导通电阻变化的影响。

　　图7.采用间接电流反馈的仪表放大器的分立PGIA

　　这些放大器的增益是通过外部电阻的比率来设置的，设置方式与同相放大器相同。这就为用户提供了更大的灵活性，因为增益设置电阻可以根据设计要求来选择。标准薄膜或金属膜电阻的温度系数可低至15 ppm/°C，相应的增益漂移要比使用单个外部电阻设置增益的标准仪表放大器更好，后者的片内和外部电阻之间的不匹配通常会将增益漂移限制在50 ppm/°C左右。为获得最佳增益误差和漂移性能，可以使用电阻网络进行容差和温度系数跟踪。不过，这要以牺牲成本为代价，因此除非确有需要，否则应优先选择分立电阻。

　　另一种解决方案，也是提供最大灵活性的解决方案，是采用分立元件的三运放仪表放大器架构，如图8所示，通过多路复用器切换增益电阻。与仪表放大器相比，运算放大器可供选择的范围要大得多，因此设计人员有更多选择，这使他们能够围绕特定设计要求进行设计。滤波等特殊功能也可以内建于第一级中。第二级的差动放大器完善了这种架构。

　　图8.分立PGIA

　　输入放大器的选择直接取决于DAQ要求。例如，低功耗设计需要使用低静态电流的放大器，而预期输入端会有高阻抗传感器的系统可以利用超低偏置电流的放大器来最大限度地减少误差。应使用双放大器以更好地跟踪温度。

　　可以注意到，当使用图8所示配置时，开关的导通电阻也与放大器的高阻抗输入串联，因此它不会影响增益。回顾导通电阻与开关输入电容之间的权衡，由于对导通电阻的限制不复存在，所以设计可以选择低输入电容开关，例如ADG1209。这样，不稳定性和交流CMRR降低得以避免。

　　与之前的设计一样，增益精度和漂移将由电阻决定。可以选择具有适当容差和漂移，符合应用设计要求的分立电阻。同样，使用电阻网络可以实现更高的精度、更好的容差和温度跟踪，不过成本会增加。

　　三运放仪表放大器的第二级负责抑制共模电压。此级建议使用集成电阻网络的差动放大器，以确保CMRR最佳。对于单端输出和相对低带宽的应用，AD8276是一个不错的选择。如果需要差分输出和更高带宽，可以使用AD8476。第二级的另一个选择是使用LT5400作为标准放大器周围的增益设置电阻。这可能会占用更多的电路板空间，但另一方面又给放大器的选择提供了更大的灵活性，用户可以围绕特定设计要求进行更多设计。

　　应当注意的是，分立PGIA的布局需要小心。电路板布局的任何不平衡都会导致CMRR随频率而降低。

　　下表总结了每种方法的优缺点：

　　分立PGIA设计示例

　　图9给出了一个针对特定设计规格而构建的分立PGIA示例。在这种设计中，所构建的PGIA应具有非常低的功耗。输入缓冲器选择LTC2063，其电源电流很低，最大值为2μA。开关元件选择ADG659，其电源电流很低，最大值为1μA，输入电容也很低。

　　选择电路中的无源元件时也需要注意，须满足低功耗要求。无源器件选择不当会导致电流消耗增大，抵消使用低功耗元件的作用。在这种情况下，增益电阻需要足够大，以免消耗太多电流。所选电阻值(用来提供1、2、5和10的增益)如图9所示。

　　表4.可编程增益仪表放大器不同实现方法的比较

　　图9.低功耗PGIA设计

　　对于第二级差动放大器，LTC2063与LT5400四通道匹配电阻网络(1 MΩ选项)一起使用。这确保了电流消耗最低，并且电阻的精确匹配保护了CMRR性能。

　　该电路采用5 V电源供电，并使用不同的共模电压、差分输入电压和增益进行了评估。在基准电压和输入保持在中间电源电压的最佳条件下，电路仅消耗4.8μA的电流。

　　差分输入变化时预计电流会有一定的增加，原因是电流会流过增益电阻，电流值等于|VOUT – VREF|/(2 MΩ||1 MΩ)。下面的图10显示了不同增益下消耗的电流。由于增益原因，数据是相对于输出端测量。

　　图10.电源电流与输出电压的关系

　　将不同共模电压施加于输入时，电流预计也会增加。施加的电压将导致电流流过第二级中的电阻，引起额外的电流消耗，其值等于|VCM – VREF|/1 MΩ。LT5400选择1 MΩ电阻就是专门为了尽量减小这种电流。下面的图11显示了共模电压对不同增益下的电流消耗的影响：

　　图11.电源电流与共模电压的关系

　　还测量了关断模式下电路的静态电流。当所有器件关断时，电路仅消耗180 nA的电流。这不会变化，即使共模电压、基准电压和差分输入等变量发生变化，只要它们都保持在电源范围内即可。所有器件都有关断选项，以防需要进一步节省功耗以及用户希望断电再重启。在便携式电池供电的应用中，该电路非常有用;若非如此，利用集成PGIA是无法实现关键规格的。

　　结论

　　可编程增益仪表放大器是数据采集领域的关键器件，即使配合不同灵敏度的传感器使用，也能实现良好的SNR性能。使用集成PGIA可缩短设计时间，提高前端的整体直流和交流性能。如果有符合要求的集成PGIA，设计中一般应优先使用这样的器件。但是，当系统要求的规格无法通过现有集成器件实现时，可以设计一个分立PGIA。通过遵循正确的设计建议，即使采用分立方法也可以实现最优设计，并且可以评估各种实施方法以确定具体应用的最佳配置。

　　作者感谢Scott Hunt和Paul Blanchard对本文的技术贡献。

　　Kristina Fortunado

　　Kristina Fortunado [kristina.fortunado@analog.com]于2009年加入ADI公司，目前担任线性产品与解决方案部门的产品应用工程师。她毕业于德拉萨大学，获得电子和通信工程学士学位。