使用仪表放大器获得多个增益范围

Scott Hunt

为了在精密传感器测量中最大化动态范围，可能需要使用可编程增益仪表放大器（PGIA）。因为大多数仪表放大器（仪表放大器）使用外部增益电阻（RG）来设置增益，似乎可以使用一组多路复用增益电阻来实现所需的编程增益。虽然这是可能的，但在以这种方式使用固态多路复用器实现系统之前，需要考虑三个主要问题：电源和信号电压限制、开关电容和导通电阻。

图1.AD8421 PGIA，内置多路复用器。

保持在信号范围内

固态CMOS开关需要电源。当源极或漏极电压超过电源电压时，故障电流可能会流动并导致输出不正确。每个R处的电压G引脚通常位于相应输入端电压的二极管压降内;因此，开关的信号电压范围必须大于仪表放大器的输入范围。

考虑电容

开关电容类似于将电容器挂在其中一个R上G引脚并离开另一个 RG单独别针。足够大的电容可能会导致峰值或不稳定，但更容易被忽视的问题是对共模抑制比的影响。在电路板布局中，接地层通常从R下方移除G引脚，因为电容不平衡小于1 pF会大大降低交流CMRR。开关电容可达数十皮法，导致误差较大。采用具有完美CMRR的仪表放大器的简单案例，没有RG存在，电容仅为 1 RG引脚，由于电容引起的CMRR可以近似为：

例如，如果内部反馈电阻，RF = 25 kΩ，而CRG= 10 pF，10 kHz 时的 CMRR 仅为 36 dB。建议使用低电容开关或平衡开关架构，如图2所示，采用单刀单刀单掷开关。

关于抵抗

最后，开关的导通电阻根据仪表放大器的增益公式直接影响增益。如果导通电阻足够低，仍然可以实现所需的增益，这可能没问题。但是，开关的导通电阻随漏极电压而变化，指定为 R­平坦（开）.开关电阻的变化既会产生增益对共模电压的依赖性，又会产生增益非线性效应。例如，使用 RG1 kΩ 和 10 Ω R 的开关平坦（开），在共模范围内将有1%的增益不确定性。其中一部分将转换为差分信号（例如，2 Ω的变化将是2000 ppm的非线性）。这表明使用低导通电阻开关，这与低电容开关的建议相反，因为大晶体管器件尺寸可实现低导通电阻，而小晶体管可实现低电容。ADG5412F故障保护、四通道SPST开关在许多情况下都能提供良好的解决方案。这些故障保护开关的架构允许它们提供 10 Ω 导通电阻，在整个信号范围内非常平坦，关断电容仅为 12 pF。

图2.平衡PGIA，采用ADG5412F四通道单刀单刀单掷器和AD8421。

确认替代方案

如果这些电路不符合设计要求，还有其他方法可以实现可编程增益仪表放大器功能。如果有合适的综合PGIA，强烈建议选择集成PGIA。与分立式解决方案相比，集成PGIA专为高性能而设计，具有更小的尺寸和更少的寄生效应，规格包括内部开关的影响。集成PGIA的一些很好的例子是AD8231、AD8250/AD8251/AD8253和LTC6915。此外，还有一些集成度更高的解决方案包含此功能，例如AD7124-8和ADAS3022。

结论

仪表放大器是高精度元件，在硅级尽可能平衡，以抑制共模。使用固态开关可以构建可编程增益仪表放大器，但也很容易摆脱定义仪表放大器的平衡并降低电路精度。需要考虑开关的非理想影响，以便做出必要的权衡。平衡开关架构和ADG5412F等现代开关是优化这些设计的绝佳工具。建议使用集成PGIA，因为规格中已经包含开关的影响。

审核编辑：郭婷