如何为精密宽带宽信号链设计可编程增益仪表放大器

作者：Maithil Pachchigar和John Neeko Garlitos

本文旨在帮助硬件设计人员设计宽带宽可编程增益仪表放大器（PGIA），从选择现成的分立元件到性能评估，以及如何节省时间和减少设计迭代。所提出的PGIA架构经过优化，可全速驱动基于高精度逐次逼近寄存器（SAR）架构的信号链。本文还演示了PGIA在驱动各种增益选项的宽带宽信号链方面的精密性能。

介绍

精密数据采集子系统通常由高性能、分立式线性信号链模块组成，用于测量和保护、调理和采集或合成和驱动。开发这些数据采集信号链的硬件设计人员通常需要高输入阻抗，以便与各种传感器直接接口。在这种情况下，通常需要可编程增益来使电路适应不同的输入信号幅度——单极性或双极性、单端或具有不同共模电压的差分。传统上，大多数PGIA由单端输出组成，无法全速直接驱动基于全差分、高精度SAR架构的信号链，并且可能需要至少一个信号调理或驱动器级。随着对系统软件和应用程序的关注日益增加，行业动态一直在迅速发展，以区分系统解决方案。由于研发预算紧张和上市时间限制，构建和原型模拟电路以验证其功能的时间更少。硬件开发资源承受着越来越大的压力，以减少设计迭代。本文重点介绍设计分立式宽带宽、全差分PGIA的关键方面，并演示其在驱动高速信号链μModule数据采集解决方案时的精密性能。®

PGIA设计说明

图1显示了分立式宽带宽、全差分PGIA简化电路框图。该PGIA电路的主要规格和设计要求如表1所示。

PGIA规范	设计要求	评论
输出共模	2.048 伏	固定
ADC的差分输出	8.192 V 峰峰值	固定
增益：单端或差分	2, 10, 64, 128	可 编程 序
耗材 +VS/–VS	+15 V/–15 V， –6 V/–2 V	FDA 可使用 5 V 单电源（权衡：3 dB 至 4 dB SNR 压降）
带宽	>50兆赫	需要以 15 MSPS 的速度驱动 SAR 设备
噪声	<2 nV/√Hz	需要实现高于 85 dB 的信噪比
失调电压漂移	≤2 μV/°C	整体漂移较低，可减轻系统中的校准负担
CMRR	所有增益均为>90 dB
信号链规格
μ模块全差分	16 位/18 位
μ模块采样率	15 兆米速	如果需要，可以使用较低的采样率
100 kHz 时的信噪比	G = 2 时为 >85 dB，G = 128 时为 >73 dB	设计目标
100 kHz 时的总谐波比	G = 2 时为 <–105 dB，G = 128 时为 <–70 dB	设计目标

此离散 PGIA 使用以下组件构建：

ADA4898-1 低噪声、高速放大器

LT5400 四通道匹配电阻器网络，用作增益和反馈电阻器以设置 PGIA 增益

ADG1209 低电容、iCMOS™ 多路复用器，用于控制 PGIA 增益

ADA4945-1 宽带宽、全差分放大器（FDA）

选择这种宽带宽PGIA电路的分立元件是为了满足表1中突出显示的PGIA规格，并在驱动全差分高速信号链μModule数据采集解决方案（如ADAQ23875和ADAQ23878）以及ADC如LTC2387-16/LTC2387-18时实现优化的交流和直流性能。

图1.简化的PGIA电路框图。

设计技巧和组件选择

这种宽带宽分立PGIA解决方案能否驱动基于SAR架构的高速信号链μModule解决方案并实现优化性能，取决于放大器以及FDA的关键规格（如带宽、压摆率、噪声和失真）。之所以选择ADA4898-1和ADA4945-1，是因为它们的增益带宽（GBW）产品支持该信号链的总体带宽要求。ADA4945-1 （FDA） 仅在驱动 LTC2387-16 / LTC2387-18 等 ADC 时需要。PGIA增益的设置标准取决于放大器、反馈电阻和多路复用器的选择，如下一节所述。

设置 PGIA 增益

选择增益和反馈电阻

放大器的增益和反馈电阻应精确匹配。LT5400四通道电阻器网络在宽温度范围内提供0.2 ppm/°C匹配漂移和0.01%电阻匹配，以及比独立匹配电阻更好的共模抑制比（CMRR）。FDA周围的增益电阻也需要精确匹配，以实现最佳的CMRR性能。LT5400 电阻器网络用于设置放大器的增益。增益计算如公式1至3所示。

通过使用 LT5400 时设置 R1 = R4 和 R2 = R3，增益将为：

放大器的增益和FDA（固定增益为2）构成了PGIA的总增益，如表2所示。

LT5400 系列具有多种电阻器选项，如表 2 所示。ADG1209多路复用器可以通过单位增益配置中的放大器旁路，因此在这种情况下，总PGIA将设置为2。

装置	R2 = R3 （kΩ）	R1 = R4 （kΩ）	R获得(Ω)	ADA4898-1 增益 （V/V）	PGIA总增益（V/V）
LT5400-4	1	1	不适用	2	4
LT5400-6	1	5	不适用	6	12
LT5400-7	1.25	5	不适用	5	10
LT5400-8	1	9	不适用	10	20
LT5400-4	1	1	130	31.77	63.54
LT5400-4	1	1	63.4	64.09	128.18

为了将增益设置为高于20，需要外部精密匹配增益电阻（R获得）在ADA4898-1放大器的反相输入之间添加，LT5400-4用作反馈电阻，以实现64和128的目标增益，如图2所示。

计算 R获得值，请参阅等式 4 到 8。

和R的值获得期望的收益是：

选择多路复用器

一个多路复用器用于通过选择 LT5400 四通道电阻器网络来控制该 PGIA 电路的各种增益。为这种宽带宽分立PGIA设计选择多路复用器时，多路复用器的重要参数如导通电阻（R上）、导通电容 （C上），和关断电容 （C关闭）应考虑。对于这种宽带宽PGIA设计，建议使用ADG1209多路复用器。补偿电容（Cc）被添加到放大器的反馈路径中，以最小化增益峰值并降低多路复用器开/关电容的影响。抄送与 R上、反馈和增益电阻将产生一个极点，这将补偿反馈环路增益中容性寄生零点的影响。应优化Cc值以实现所需的闭环响应。当ADA4898-1周围使用较高的反馈电阻值时，由于其高输入电容，闭环增益中会出现更多的峰值。为避免此问题，应在ADA4898-1周围并联使用较高的反馈电阻值和反馈电容。此处选择的优化Cc值为2.7 pF，这是ADA4898-1数据手册中的推荐值，如图2所示。较小的Cc将具有最小的增益峰值，而太大的Cc将影响闭环增益的增益平坦度。

图2.与 LT5400 和 R 一起的多路复用器获得电阻设置PGIA增益。

PGIA电源

图3显示了用于评估这种分立式宽带宽PGIA设计性能的电路板。

图3.分立式宽带宽PGIA评估板。

PGIA前端由两个高速ADA4898-1放大器和一个ADG1209多路复用器组成，需要±15 V电源供电，而FDA需要6 V和2 V电源轨才能实现最佳信号链性能。虽然此板需要台式电源，但推荐LTpowerPlanner®该PGIA电路每个电源轨的电源树和电流如图4所示。

图4.推荐的电源树。

PGIA性能

带宽

图5显示了不同增益设置的闭环增益与频率的关系图。随着PGIA增益从2增加到128，其带宽将减小，而折合到输出（RTO）的噪声将增加;因此，信噪比（SNR）将降低。

图5.带宽与频率的关系。

CMRR

图6显示了不同PGIA增益设置下的CMRR与频率的关系图。

图6.CMRR 与频率的关系。

失真

音频精度 （APX555） 信号分析仪用于测试 PGIA 板的失真性能（图 4），通过对各种增益设置施加各种输入电压，将其输出设置为 8.192 V p-p。图7显示了分立式宽带宽PGIA的总谐波失真（THD）与频率性能的关系。®

图7.PGIA总谐波失真与频率的关系。

主要规格摘要

表3汇总了使用分立式PGIA板在工作台上测量的关键PGIA规格，例如带宽、压摆率、漂移和失真（图4）。

PGIA 增益 （V/V）	–3 dB 带宽 （兆赫）	压摆率 （V/μs）	漂移 （μV/°C）	总谐波失真 （分贝）， F在= 1 kHz
2	47.7	77	0.06	–126.5
10	12.99	72	1.18	–116.11
63.54	2.15	10	0.042	–110.04
128.18	0.98	不适用	0.026	–103.32

驱动信号链μModule解决方案的PGIA解决方案

图8显示，所选多路复用器输入后跟两个低噪声、高速放大器ADA4898-1，结合LT5400四通道精密匹配电阻网络，以15 MSPS驱动ADAQ23875信号链μModule。ADAQ23875内置一个全差分放大器;因此，应绕过宽带宽分立PGIA板的FDA模块（图4）。音频精度 （APx555） 信号源用于评估 SNR 和 THD，在本例中，输入幅度设置为 –0.5 dBFS 左右。

图8.驱动ADAQ23875的分立PGIA的简化信号链。

完整的信号链性能

噪声

完整信号链的特定输入范围或增益设置（图8）的动态范围和折合到输入（RTI）噪声如表4所示。

PGIA 增益 （V/V）	输入范围 （V 峰峰值）	动态范围（分贝）	RTI 噪声 （μV rms）
2	4.096	87.68	59.85
10	0.819	79.39	31.05
63.54	0.129	78.85	5.20
128.18	0.064	76.83	3.25

使用ADA4898-1放大器时，驱动ADAQ23875的分立PGIA的SNR性能与频率的关系如图9所示。PGIA增益增加导致的整体动态范围或SNR下降归因于单个电阻、放大器和μModule解决方案的固有噪声。

ADAQ23878的精密性能与高采样速率相结合，可降低噪声，实现超低均方根噪声，并在宽带宽内检测小幅度信号。换言之，15 MSPS采样速率大大放宽了抗混叠滤波器要求，并在数字化快速瞬变和小信号电平时最大化带宽。过采样是指采样速度远远超过满足奈奎斯特准则所需信号带宽的两倍。例如，对ADAQ23875进行四倍的过采样可提供额外的一位分辨率或动态范围增加6 dB，换句话说，由于这种过采样而改善的DR定义为：ΔDR = 10 × log10 （OSR），单位为dB。对于4.096 V基准电压源，ADAQ23875的典型动态范围在15 MSPS时为91 dB，其输入短路至地。例如，当ADAQ23875的过采样系数为256×时，这对应于29.297 kHz的信号带宽和接近111 dB的动态范围，对于不同的增益选项，可以精确检测小幅度μV信号。可以应用额外的过采样来权衡噪声和带宽，以适应正在执行的测量。

图9.SNR与频率的关系，PGIA驱动ADAQ23875。

失真

图10和图11显示了ADAQ23875由分立PGIA驱动时信号链的THD性能（高达100 kHz和100 kHz至1 MHz）。由于ADA4898-1的带宽和压摆率开始恶化，THD随着PGIA增益和输入信号频率的增加而逐渐降低。图11还显示了PGIA驱动ADAQ23875时两个信号链的THD性能比较，与LTC6373和ADA945-1的组合以15 MSPS驱动LTC2387-16时的性能比较。

图 10.THD与频率的关系，PGIA驱动ADAQ23875。

图 11.驱动ADAQ23875和LTC6373 + ADA4945-1 + LTC2387-16的PGIA的THD信号链性能比较。

积分非线性 （INL） 和微分非线性 （DNL）

当PGIA驱动ADAQ23875时，保持信号链的整体直流精度也很重要。图12和图13显示了PGIA增益为2时的典型INL和DNL性能。对于所有其他增益设置，INL和DNL通常保持在±0.5 LSB以内。

图 12.驱动ADAQ23875的PGIA（G = 2）的INL图。

图 13.驱动ADAQ23875的PGIA（G = 2）的DNL图。

结论

本文重点介绍采用ADA4898-1放大器、ADG1209多路复用器和LT5400精密匹配电阻构建的分立式宽带宽PGIA的设计方面。它展示了数十毫伏至低于10 V的单端/差分信号的高精度测量，这些信号馈入16位、15 MSPS ADAQ23875信号链μModule解决方案。与使用市场上的单片PGIA相比，完整的信号链可提供更好的整体精度性能。这种宽带宽信号链是为一组特定的客户量身定制的，他们构建了用于自动化测试设备、电源监控和分析仪的测试仪器。