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集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

2020年07月15日 16:55 次阅读

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产品(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。

表1.可编程增益仪表放大器产品规格

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

表2.DAQ系统规格

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

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。

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

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。

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

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40Ω,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。表3通过比较ADG1208和ADG1408说明了这一点。

表3.多路复用器中导通电阻与电容的权衡

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产品上的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是仪表放大器产品的一项关键规格。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。

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。

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。

图5.SPST开关与多路复用器配置两种情况下的CMRR仿真

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。

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

图7.采用间接电流反馈的仪表放大器产品的分立PGIA

这些放大器产品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产品相同。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产品更好,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。

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

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

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

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。

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

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:

集成可编程增益仪表放大器的应用优势与设计解决方案

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。

作者简介:

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。

责任编辑:gt

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手机摄像头由多种元器件组装而成,元件数量集成度越多,就代表手机摄像头的功能越完善,相应的封装难度也更....
发表于 2020-07-13 14:26 99次阅读
手机摄像头的结构和影响手机拍照质量的因素分析

什么是粉尘浓度传感器,它的作用是什么

粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒。习惯上对粉尘有许多名称,如灰尘、尘埃、烟尘、矿尘、砂尘、粉末等,这些....
发表于 2020-07-13 14:22 22次阅读
什么是粉尘浓度传感器,它的作用是什么

余压监控系统如何在发生火灾时控制余压值的范围

超高层建筑作为体量巨大、对结构和功能有着特殊标准和要求的特种建筑,是一个国家彰显大国形象与经济实力的....
发表于 2020-07-13 14:04 79次阅读
余压监控系统如何在发生火灾时控制余压值的范围

倾角传感器的典型应用范围

采用国际先进的磁敏感元件,参照大地水平面,巧妙利用重力摆结构,精密的无电触点设计,测量出相对大地水平....
发表于 2020-07-13 11:04 83次阅读
倾角传感器的典型应用范围

无线温度数据采集传感器解决方案

  无线温度传感器,是针对温度监测设计的一款无线数据采集终端,也叫智能温度传感器,无线温度采集器,属于无线传感...
发表于 2020-07-09 11:34 129次阅读
无线温度数据采集传感器解决方案

UNIVO传感器的解决方案

  UNIVO是国内众多的传感器公司之一,主要提供创新的传感器解决方案来帮助客户将概念转化为智能、连接的产品。...
发表于 2020-07-09 11:33 143次阅读
UNIVO传感器的解决方案

ZTP-148SR为核心测量传感器的额温枪解决方案

  当前COVID-19疫情发生时期,在全国人民万众一心,众志成城抗击新型肺炎的过程中,额温枪成为阻击疫情进一步传...
发表于 2020-07-09 09:28 121次阅读
ZTP-148SR为核心测量传感器的额温枪解决方案

MLX75305适用于测量环境亮度或用于控制LCD背光亮度应用的LED亮度

  汽车进入隧道时候,需要打开照明或者自动点亮LCD屏的背光。这就需求对自然光强度的变化进行检测。MLX75305适...
发表于 2020-07-09 09:17 91次阅读
MLX75305适用于测量环境亮度或用于控制LCD背光亮度应用的LED亮度

TE传感器对监测和控制医疗系统中各种应用的电子系统至关重要

  TE Connectivity利用许多不同的技术设计和制造各种传感器,这些技术对于监测和控制医疗系统中各种应用的电子系...
发表于 2020-07-08 15:44 103次阅读
TE传感器对监测和控制医疗系统中各种应用的电子系统至关重要

测距的传感器除了超声波和红外,有没有别的

请问一下,网 里测距的传感器除了超声波和红外,有没有别的?因为超声波的测距范围是一个伞形区,若传感器和待测物体...
发表于 2020-07-08 07:38 55次阅读
测距的传感器除了超声波和红外,有没有别的

阿尔卑斯阿尔派样品免费领!再送一份选型指南

本期,华秋商城为您带来:阿尔卑斯阿尔派开关、传感器产品的选型指南: ●阿尔卑斯阿尔派 TACT SWITCH轻触...
发表于 2020-07-07 16:42 195次阅读
阿尔卑斯阿尔派样品免费领!再送一份选型指南

NPP-301传感器在压力开关中的应用

  压力开关采用高精度、高稳定性能的压力传感器和变送电路,再经专用 CPU模块化信号处理技术,实现对介质压力信号...
发表于 2020-07-07 15:21 74次阅读
NPP-301传感器在压力开关中的应用

SMI微压传感器SM9541的电路设计

  透气性测试仪在工业自动化领域的应用是很重要的。本文简述了SMI微压传感器SM9541的电路设计,通过该压力传感...
发表于 2020-07-07 11:04 101次阅读
SMI微压传感器SM9541的电路设计

TE公司推出小尺寸角速率传感器(陀螺仪)MODEL 610

  MODEL 610是TE公司推出一款小尺寸角速率传感器(陀螺仪),利用可靠的硅MEMS传感元件、定制电子元件和...
发表于 2020-07-07 10:41 98次阅读
TE公司推出小尺寸角速率传感器(陀螺仪)MODEL 610