介绍分立式宽带可编程增益仪表放大器（PGIA）的设计包括组件选择、增益设置、电源设计

本文介绍了分立式宽带可编程增益仪表放大器（PGIA）的设计，包括组件选择、增益设置、电源设计以及性能评估，旨在帮助硬件设计人员构建高性能的精密信号链。
如何为宽带的精密信号链设计可编程增益仪表放大器:*附件：how-to-design-a-programmable-gain-instrumentation-amplifier_cn.pdf

1. PGIA 设计概述

   • 设计目标与规格 ：用于精密数据采集，需高输入阻抗，适应多种信号，可编程增益，具备特定输出共模、差分输出、带宽、噪声、失调电压漂移和共模抑制比（CMRR）等要求，以驱动高速信号链 μModule 数据采集解决方案。

   组件选择 ：各组件特性满足整体带宽、增益设置和性能要求。

   • ADA4898 - 1 低噪声高速放大器
   • LT5400 四通道匹配电阻网络
   • ADG1209 低电容 iCMOS™多路复用器和
   • ADA4945 - 1 宽带全差分放大器（FDA）构建 PGIA 电路

2. PGIA 设计要点

   • 设置 PGIA 增益
     • 选择增益和反馈电阻 ：LT5400 电阻网络用于设置放大器增益，通过不同电阻配置实现多种增益选项，高增益时需在放大器反相输入端添加外部精密匹配增益电阻，同时要确保增益电阻和反馈电阻精确匹配以优化 CMRR 性能。
     • 选择多路复用器 ：ADG1209 多路复用器用于控制 PGIA 增益，其导通电阻、电容等参数影响性能，添加补偿电容可减小增益频响高频尖峰，提高稳定性，优化闭环响应，避免因反馈电阻和放大器输入电容导致的问题。
   • PGIA 电源设计 ：PGIA 前端需 ±15V 电源，ADA4945 - 1 FDA 需 6V 和 - 2V 电源轨，推荐 LTpowerPlanner® 电源轨树形结构设计，展示了各电源轨负载电流。

3. PGIA 性能评估

   • 关键规格测试 ：带宽随增益增大而降低，折合到输出端（RTO）噪声增大，信噪比（SNR）降低；CMRR 在不同增益下有相应表现；通过 Audio Precision®（APX555）信号分析仪测试不同增益和输入电压下的总谐波失真（THD）性能。
   • 驱动信号链性能
     • 噪声与动态范围 ：驱动 ADAQ23875 时，不同增益下输入范围、动态范围和折合到输入端（RTI）噪声不同，随着 PGIA 增益增大，动态范围或 SNR 因各组件噪声而降低，ADAQ23875 的高采样速率可通过过采样降低噪声、提高动态范围，精确检测小信号。
     • 失真与非线性 ：随着 PGIA 增益和输入信号频率增大，THD 逐渐下降，同时保持了信号链整体直流精度，在特定增益下，积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）性能良好。
       

综上所述，该分立式宽带 PGIA 设计在满足特定客户群需求的同时，提供了高精度测量和整体精密性能，适用于自动化测试设备、电源监控和分析仪等领域。

PGIA 设计的性能评估指标涵盖了带宽、CMRR、噪声、失真、动态范围以及非线性等多个方面，这些指标全面反映了 PGIA 在不同工作条件下的性能表现，对于评估其在精密信号链中的适用性至关重要。

1. 带宽 ：随着 PGIA 增益从 2 增大到 128，带宽会降低，影响信号传输的频率范围。
2. CMRR（共模抑制比） ：不同增益设置下，CMRR 与频率的关系体现了其对共模信号的抑制能力。
3. 噪声
   • 折合到输出端（RTO）噪声 ：增益增大时，RTO 噪声增大，影响信噪比（SNR）。
   • 折合到输入端（RTI）噪声 ：驱动 ADAQ23875 时，不同增益下 RTI 噪声不同，影响小信号检测能力。
4. 失真
   • 总谐波失真（THD） ：通过 Audio Precision®（APX555）信号分析仪测试不同增益和输入电压下的 THD 与频率性能关系，反映信号失真程度。
   • 随着 PGIA 增益和输入信号频率增大，THD 逐渐下降 ：体现了放大器特性对失真的影响。
5. 动态范围 ：驱动 ADAQ23875 时，不同增益下输入范围和动态范围不同，反映了可处理信号幅度的变化范围。
6. 非线性
   • 积分非线性（INL）和差分非线性（DNL） ：在驱动 ADAQ23875 时，特定增益下的 INL 和 DNL 性能体现了信号链的直流精度。
   • 对于所有其他增益设置，INL 和 DNL 一般都保持在 ±0.5 LSB 以内 ：表明整体直流精度良好。