【導讀】本文旨在幫助硬件設計人員設計寬帶可編程增益儀表放大器(PGIA)，從選擇現成的分立式組件到性能評估，以及如何節省時(shí)間和減少設計迭代次數。展示的PGIA架構經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以全速驅動(dòng)基于高精度逐次逼近寄存器(SAR)架構的ADC。本文還展示了PGIA在各種增益選項下驅動(dòng)寬帶寬信號鏈的精密性能。
簡(jiǎn)介
精密數據采集子系統通常由高性能的分立式線(xiàn)性信號鏈模塊組成，用于測量和保護、調節和獲取，或者合成和驅動(dòng)。硬件設計人員在開(kāi)發(fā)這些數據采集信號鏈時(shí)，通常需要高輸入阻抗，以直接連接多種傳感器。在這種情況下，通常需要利用可編程增益使電路適應不同的輸入信號幅度——單極性或雙極性和單端或差分信號，具有可變共模電壓。大多數PGIA傳統上由單端輸出組成，該輸出不能直接全速驅動(dòng)基于全差分、高精度SAR架構的ADC，需要至少一個(gè)信號調理或驅動(dòng)級放大器。隨著(zhù)大家越來(lái)越注重通過(guò)系統軟件和應用來(lái)提供與眾不同的系統解決方案，整個(gè)行業(yè)不斷迅速發(fā)展變化。但是，受緊張的研發(fā)預算和上市時(shí)間限制，用于構建模擬電路并制作原型來(lái)驗證其功能的時(shí)間也越來(lái)越少。這樣就增加了硬件開(kāi)發(fā)資源的壓力，需要進(jìn)一步減少設計迭代。本文著(zhù)重介紹在設計分立式寬帶全差分PGIA時(shí)要注意的重要方面，并展示PGIA在驅動(dòng)高速信號鏈μModule?數據采集解決方案時(shí)的精密性能。
PGIA設計描述
圖1顯示分立式寬帶全差分PGIA簡(jiǎn)化電路的框圖。有關(guān)此PGIA電路的關(guān)鍵規格和設計要求，請參見(jiàn)表1。
表1. PGIA設計限制和關(guān)鍵規格
這個(gè)分立式PGIA使用以下部件構建：
● ADA4898-1 低噪聲高速放大器
● LT5400 低噪聲高速放大器
● ADG1209 低電容iCMOS?多路復用器，用于控制PGIA增益
● ADA4945-1 寬帶全差分放大器(FDA)
這款寬帶PGIA電路選擇使用這些分立式組件來(lái)滿(mǎn)足表1中突出顯示的PGIA規格，用于在驅動(dòng)全差分高速信號鏈μModule數據采集解決方案（例如 ADAQ23875 和 ADAQ23878）和以及ADC（例如 LTC2387-16/LTC2387-18）時(shí)實(shí)現優(yōu)化的交流和直流性能。
圖 1. 簡(jiǎn)化的 PGIA 電路框圖。
設計技巧和組件選擇
這款寬帶分立式PGIA解決方案能否驅動(dòng)基于高速SAR架構的信號鏈μModule解決方案和實(shí)現優(yōu)化性能，取決于放大器和FDA的關(guān)鍵規格（例如帶寬、擺率、噪聲和失真）。選擇ADA4898-1和ADA4945-1是因為其增益帶寬積(GBW)支持該信號鏈的總體帶寬要求。只有驅動(dòng)ADC（例如LTC2387-16/LTC2387-18）時(shí)，才需要使用ADA4945-1 (FDA)。設置PGIA增益的標準取決于所選的放大器、反饋電阻和多路復用器，我們將在下一節中詳細討論。
設置PGIA增益
選擇增益和反饋電阻
放大器的增益電阻和反饋電阻應該精確匹配。LT5400四通道電阻網(wǎng)絡(luò )提供0.2 ppm/°C的匹配漂移和0.01%的電阻匹配，工作溫度范圍很寬，共模抑制比(CMRR)優(yōu)于獨立匹配電阻。FDA周?chē)脑鲆骐娮枰残枰珳势ヅ?，以?shí)現優(yōu)化的CMRR性能。
LT5400電阻網(wǎng)絡(luò )用于設置放大器的增益。增益計算如公式1至公式3所示。
使用LT5400時(shí)，通過(guò)設置R1 = R4和R2 = R3，增益為：
放大器的增益和FDA（固定增益為2）構成了PGIA的總增益，如表2所示。
LT5400系列提供多種電阻選項，如表2所示?？梢允褂脝挝辉鲆媾渲玫姆糯笃鱽?lái)旁路ADG1209多路復用器，所以在本例中，總PGIA設置為2。
表2. LT5400電阻選項和等效增益
要將增益設置為高于20，需要在兩個(gè)ADA4898-1放大器的反相輸入端之間添加一個(gè)外部精密匹配的增益電阻(RGAIN)，并使用LT5400-4作為反饋電阻來(lái)實(shí)現目標增益64和128，如圖2所示。
要計算RGAIN值，請參考公式4至8。
要實(shí)現所需的增益，RGAIN的值應為：
選擇多路復用器
使用多路復用器，通過(guò)選擇LT5400四通道電阻網(wǎng)絡(luò )可控制該PGIA電路的多個(gè)增益。為這個(gè)寬帶分立式PGIA設計選擇多路復用器時(shí)，應考慮多路復用器的多個(gè)重要參數，例如導通電阻(RON)、導通電容(CON)和關(guān)斷電容(COFF)。在這個(gè)寬帶PGIA設計中，建議使用ADG1209多路復用器。在放大器的反饋路徑中添加補償電容(Cc)，會(huì )盡可能減小增益頻響的高頻尖峰（提高放大器的穩定性），并降低多路復用器導通/關(guān)斷電容的影響。Cc與RON、反饋電阻和增益電阻會(huì )構成一個(gè)極點(diǎn)，該極點(diǎn)將會(huì )補償反饋環(huán)路增益中寄生電容產(chǎn)生的零點(diǎn)的影響。應優(yōu)化Cc值，以實(shí)現所需的閉環(huán)響應。當ADA4898-1電路中使用更高的反饋電阻值時(shí)，因為其高輸入電容（ADA4898-1的輸入共模電容為2.5pF，差模電容為3.2pF），在閉環(huán)增益的頻響中會(huì )出現更高的尖峰。為了避免這個(gè)問(wèn)題，在A(yíng)DA4898-1中一個(gè)更高的反饋電阻需要并聯(lián)一個(gè)反饋電容。如圖2所示，此處選擇了 ADA4898-1 數據手冊中推薦的優(yōu)化Cc值2.7 pF。使用更小的Cc時(shí)，使增益頻響的尖峰更高，但是如果使用的Cc過(guò)大，則會(huì )影響閉環(huán)增益的增益平坦度。
圖 2. 多路復用器、LT5400 和 RGAIN 電阻設置 PGIA 增益。
PGIA電源
圖3顯示用于評估該分立式寬帶寬PGIA設計性能的評估板。
圖 3. 分立式寬帶寬 PGIA 評估板。
由兩個(gè)高速ADA4898-1放大器和一個(gè)ADG1209多路復用器構成的PGIA前端需要使用±15 V電源來(lái)驅動(dòng)，而ADA4945-1 FDA需要使用6 V和2 V電源軌來(lái)實(shí)現優(yōu)化信號鏈性能。雖然此板需要使用臺式電源，但是針對該PGIA電路，我們更推薦 LTpowerPlanner? 電源軌的樹(shù)形結構設計，它同樣展示了每個(gè)電源軌的負載電流，可參考圖4。
圖 4. 推薦的電源樹(shù)。
PGIA性能
帶寬
圖5顯示在不同的增益設置下，閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系圖。當PGIA增益從2增大到128，其帶寬會(huì )降低，而其折合到輸出端(RTO)的噪聲會(huì )增大；因此，信噪比 (SNR)會(huì )降低。
圖 5. 帶寬與頻率的關(guān)系。
CMRR
圖6顯示在不同的PGIA增益設置下，CMRR與頻率的關(guān)系圖。
圖 6. CMRR 與頻率的關(guān)系。
失真
Audio Precision? (APX555)信號分析儀用于測試PGIA板（圖4）的失真性能，通過(guò)對不同的增益設置施加不同的輸入電壓，將其輸出設置為8.192 V p-p。圖7顯示分立式寬帶PGIA的總諧波失真(THD)與頻率性能之間的關(guān)系。
圖 7. PGIA THD 與頻率的關(guān)系。
關(guān)鍵規格匯總
表3列出了使用分立式PGIA評估板（圖4）在測試臺上測得的關(guān)鍵PGIA規格，例如帶寬、擺率、漂移和失真。
表3. 獨立的PGIA的關(guān)鍵規格
驅動(dòng)信號鏈的PGIA μModule解決方案
圖8顯示選定的多路復用器作為兩個(gè)低噪聲、高速放大器ADA4898-1的增益輸入端與LT5400精密電阻網(wǎng)絡(luò )并聯(lián)構成的寬帶PGIA可以驅動(dòng)有15MSPS采樣速率的ADAQ23875信號鏈uModule。ADAQ23875包含內部全差分放大器；因此，應旁路寬帶分立式PGIA評估板（圖4）中的FDA模塊。Audio Precision (APx555)信號源用于評估SNR和THD，在本例中，輸入幅度設置為約–0.5 dBFS。
圖 8. 驅動(dòng) ADAQ23875 的分立式 PGIA 的簡(jiǎn)化信號鏈。
完整信號鏈性能
噪聲
有關(guān)完整信號鏈（圖8）在特定輸入范圍或增益設置下的動(dòng)態(tài)范圍和折合到輸入端(RTI)的噪聲，請參考表4。
表4. PGIA驅動(dòng)ADAQ23875時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍和RTI噪聲
使用ADA4898-1放大器時(shí)，驅動(dòng)ADAQ23875的分立式PGIA的SNR性能與頻率的關(guān)系圖如圖9所示。PGIA增益增大時(shí)，整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍或SNR會(huì )降低，這是由于單個(gè)電阻、放大器和μModule解決方案本身的噪聲引起的。
ADAQ23878的高精度性能與高采樣速率相結合，可降低噪聲并支持過(guò)采樣，以實(shí)現極低的RMS噪聲并在寬帶內檢測小幅度信號。換句話(huà)說(shuō)，對快速瞬變和小信號電平進(jìn)行數字化處理時(shí)，15 MSPS的采樣速率大大放寬了抗混疊濾波器要求并充分提高了帶寬。過(guò)采樣是指以比兩倍信號帶寬（滿(mǎn)足奈奎斯特標準所必需）快得多的速度進(jìn)行采樣。例如，對ADAQ23875進(jìn)行4倍過(guò)采樣可額外提供1位分辨率，或增加6 dB的動(dòng)態(tài)范圍，換言之，由于此過(guò)采樣而實(shí)現的動(dòng)態(tài)范圍改進(jìn)定義為：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，單位dB。ADAQ23875的典型動(dòng)態(tài)范圍在15 MSPS時(shí)為91 dB，對于4.096 V基準電壓源，其輸入對地短路。例如，當ADAQ23875進(jìn)行256倍過(guò)采樣時(shí)，這對應于29.297 kHz的信號帶寬和接近111 dB的動(dòng)態(tài)范圍（對于不同的增益選項），因此可以精確檢測出μV級別的小信號。為了適應所執行的測量，可以應用額外的過(guò)采樣來(lái)權衡噪聲和帶寬。
圖 9. 使用 PGIA 驅動(dòng) ADAQ23875 時(shí)，SNR 與頻率的關(guān)系。
失真
圖10和圖11顯示使用分立式PGIA驅動(dòng)ADAQ23875時(shí)，信號鏈（高達100 kHz，從100 kHz至1 MHz）的THD性能。由于A(yíng)DA4898-1的帶寬和擺率開(kāi)始下降，THD會(huì )隨著(zhù)PGIA增益和輸入信號頻率增大而逐漸下降。圖11還顯示了使用PGIA驅動(dòng)ADAQ23875，以及使用LTC6373和ADA945-1的組合在15 MSPS采樣率下驅動(dòng)LTC2387-16時(shí)，兩個(gè)信號鏈的THD性能比較。
圖 10. 使用 PGIA 驅動(dòng) ADAQ23875 時(shí)，THD 與頻率的關(guān)系。
圖 11. PGIA 驅動(dòng) ADAQ23875 以及 LTC6373 + ADA4945-1 驅動(dòng) LTC2387-16 時(shí)，THD 信號鏈的性能比較。
積分非線(xiàn)性(INL)和差分非線(xiàn)性(DNL)
使用PGIA驅動(dòng)ADAQ23875時(shí)，必須保持信號鏈的整體直流精度，這一點(diǎn)也很重要。圖12和圖13顯示PGIA增益為2時(shí)，典型的INL和DNL性能。對于所有其他增益設置，INL和DNL一般都保持在±0.5 LSB以?xún)取?/p>
圖 12. 驅動(dòng) ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 INL 圖。
圖 13. 驅動(dòng) ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 DNL 圖。
結論
本文介紹使用ADA4898-1放大器、ADG1209多路復用器和LT5400精密匹配電阻構建分立式寬帶寬PGIA的設計。該設計在幾十毫伏到10V的單端/差分信號輸入范圍內，同時(shí)驅動(dòng)16位15 MSPS采樣率的ADAQ23875信號鏈μModule的解決方案可實(shí)現高精度測量。與使用市面上可用的單片式PGIA相比，完整的信號鏈可提供更好的整體精密性能。這款寬帶寬信號鏈專(zhuān)為特定客戶(hù)群定制，旨在構建用于自動(dòng)化測試設備、電源監控和分析儀的測試儀表。
參考電路
Pachchigar，Maithil?！袄眠^(guò)采樣提高SAR ADC的動(dòng)態(tài)范圍”。 ADI公司，2015年6月。
“CN-0560：高精度、寬帶寬電流測量信號鏈”。 ADI公司，2022年6月。
來(lái)源：ADI
作者：Maithil Pachchigar 和 John Neeko Garlitos
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