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如何為寬帶的精密信號鏈設(shè)計(jì)可編程增益儀表放大器

本文作者：Maithil Pachchigar 點(diǎn)擊： 2022-11-25 13:18

前言：

作者：ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程師Maithil Pachchigar和ADI產(chǎn)品應(yīng)用工程師John Neeko Garlitos

精密數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通常由高性能的分立式線性信號鏈模塊組成，用于測量和保護(hù)、調(diào)節(jié)和獲取，或者合成和驅(qū)動。硬件設(shè)計(jì)人員在開發(fā)這些數(shù)據(jù)采集信號鏈時(shí)，一般需要高輸入阻抗，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(yīng)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(shù)PGIA傳統(tǒng)上由單端輸出組成，該輸出不能直接全速驅(qū)動基于全差分、高精度SAR架構(gòu)的ADC，需要至少一個(gè)信號調(diào)理或驅(qū)動級放大器。隨著人們越來越注重通過系統(tǒng)軟件和應(yīng)用來提供與眾不同的系統(tǒng)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(yù)算和上市時(shí)間限制，用于構(gòu)建模擬電路并制作原型來驗(yàn)證其功能的時(shí)間也越來越少。這樣就增加了硬件開發(fā)資源的壓力，需要進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)迭代。本文將介紹在設(shè)計(jì)分立式寬帶全差分PGIA時(shí)要注意的關(guān)鍵事項(xiàng)，并展示PGIA在驅(qū)動高速信號鏈μModule^®數(shù)據(jù)采集解決方案時(shí)的精密性能。

PGIA設(shè)計(jì)描述

圖1顯示分立式寬帶全差分PGIA簡化電路的框圖。有關(guān)此PGIA電路的關(guān)鍵規(guī)格和設(shè)計(jì)要求，請參見表1。

圖1.簡化的PGIA電路框圖

表1.PGIA設(shè)計(jì)限制和關(guān)鍵規(guī)格

PGIA規(guī)范	設(shè)計(jì)要求	備注
輸出共模	2.048V	固定
差分輸出至ADC	8.192V p-p	固定
增益：單端或差分	2、10、64、128	可編程
電源+V_S/-V_S	+15V/-15V、-6V/-2V	可以使用單個(gè)5V電源為FDA供電（權(quán)衡取舍：3dB至4dB SNR下降）
帶寬	>50MHz	需要以15MSPS驅(qū)動SAR ADC
噪聲	<2nV/√Hz	需要實(shí)現(xiàn)高于85dB的SNR
失調(diào)電壓漂移	≤2µV/°C	總體低漂移可以降低系統(tǒng)的校準(zhǔn)負(fù)擔(dān)
CMRR	>90dB（所有增益）
信號鏈規(guī)格
µModule全差分	16位/18位
µModule采樣速率	15MSPS	必要時(shí)，可以使用更低的采樣速率
SNR (100kHz)	G=2時(shí)>85dB，G=128時(shí)>73dB	設(shè)計(jì)目標(biāo)
THD (100kHz)	G=2時(shí)<-105dB，G=128時(shí)<-70dB	設(shè)計(jì)目標(biāo)

這個(gè)分立式PGIA使用以下部件構(gòu)建：

? ADA4898-1低噪聲高速放大器

? LT5400四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，用作增益和反饋電阻，用于設(shè)置PGIA增益

? ADG1209低電容iCMOS™多路復(fù)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電路選擇使用上述分立式組件來滿足表1中突出顯示的PGIA規(guī)格，用于在驅(qū)動全差分高速信號鏈μModule數(shù)據(jù)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(xiàn)優(yōu)化的交流和直流性能。

設(shè)計(jì)技巧和組件選擇

這款寬帶分立式PGIA解決方案能否驅(qū)動基于高速SAR架構(gòu)的信號鏈μModule解決方案和實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能，取決于放大器和FDA的關(guān)鍵規(guī)格（例如帶寬、擺率、噪聲和失真）。選擇ADA4898-1和ADA4945-1是因?yàn)槠湓鲆鎺挿e(GBW)支持該信號鏈的總體帶寬要求。只有驅(qū)動ADC（例如LTC2387-16/LTC2387-18）時(shí)，才需要使用ADA4945-1(FDA)。設(shè)置PGIA增益的標(biāo)準(zhǔn)取決于所選的放大器、反饋電阻和多路復(fù)用器，下面來詳細(xì)討論。

設(shè)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(yīng)該精確匹配。LT5400四通道電阻網(wǎng)絡(luò)提供0.2ppm/°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(dú)立匹配電阻。FDA周圍的增益電阻也需要精準(zhǔn)匹配，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的CMRR性能。

LT5400電阻網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置放大器的增益。增益計(jì)算如公式1至公式3所示。

使用LT5400時(shí)，通過設(shè)置R1=R4和R2=R3，增益為：

放大器的增益和FDA（固定增益為2）構(gòu)成了PGIA的總增益，如表2所示。

LT5400系列提供多種電阻選項(xiàng)，如表2所示。可以使用單位增益配置的放大器來旁路ADG1209多路復(fù)用器，所以在本例中，總PGIA設(shè)置為2。

表2.LT5400電阻選項(xiàng)和等效增益

器件	R2 = R3 (kΩ)	R1 = R4 (kΩ)	R_GAIN (Ω)	ADA4898-1增益(V/V)	總PGIA增益(V/V)
LT5400-4	1	1	N/A	2	4
LT5400-6	1	5	N/A	6	12
LT5400-7	1.25	5	N/A	5	10
LT5400-8	1	9	N/A	10	20
LT5400-4	1	1	130	31.77	63.54
LT5400-4	1	1	63.4	64.09	128.18

要將增益設(shè)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(R_GAIN)，并使用LT5400-4作為反饋電阻來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)增益64和128，如圖2所示。

圖2.多路復(fù)用器、LT5400和R_GAIN電阻設(shè)置PGIA增益

要計(jì)算RGAIN值，請參考公式4至8。

要實(shí)現(xiàn)所需的增益，R_GAIN的值應(yīng)為：

? 選擇多路復(fù)用器

使用多路復(fù)用器，通過選擇LT5400四通道電阻網(wǎng)絡(luò)可控制該P(yáng)GIA電路的多個(gè)增益。為這個(gè)寬帶分立式PGIA設(shè)計(jì)選擇多路復(fù)用器時(shí)，應(yīng)考慮多路復(fù)用器的多個(gè)重要參數(shù)，例如導(dǎo)通電阻(R_ON)、導(dǎo)通電容(C_ON)和關(guān)斷電容(COFF)。在這個(gè)寬帶PGIA設(shè)計(jì)中，建議使用ADG1209多路復(fù)用器。在放大器的反饋路徑中添加補(bǔ)償電容(Cc)，會盡可能減小增益頻響的高頻尖峰（提高放大器的穩(wěn)定性），并降低多路復(fù)用器導(dǎo)通/關(guān)斷電容的影響。Cc與R_ON、反饋電阻和增益電阻會構(gòu)成一個(gè)極點(diǎn)，該極點(diǎn)將會補(bǔ)償反饋環(huán)路增益中寄生電容產(chǎn)生的零點(diǎn)的影響。應(yīng)優(yōu)化Cc值，以實(shí)現(xiàn)所需的閉環(huán)響應(yīng)。當(dāng)ADA4898-1電路中使用更高的反饋電阻值時(shí)，因?yàn)槠涓咻斎腚娙荩ˋDA4898-1的輸入共模電容為2.5pF，差模電容為3.2pF），在閉環(huán)增益的頻響中會出現(xiàn)更高的尖峰。為了避免這個(gè)問題，在ADA4898-1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(shù)據(jù)手冊中推薦的優(yōu)化Cc值2.7pF。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過大，則會影響閉環(huán)增益的增益平坦度。

PGIA電源

圖3顯示用于評估該分立式寬帶寬PGIA設(shè)計(jì)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(fù)用器構(gòu)成的PGIA前端需要使用±15V電源來驅(qū)動，而ADA4945-1 FDA需要使用6V和2V電源軌來實(shí)現(xiàn)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P(yáng)GIA電路，ADI更推薦LTpowerPlanner^®電源軌的樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它同樣展示了每個(gè)電源軌的負(fù)載電流，可參考圖4。

圖4.推薦的電源樹

PGIA性能

? 帶寬

圖5顯示在不同的增益設(shè)置下，閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系圖。當(dāng)PGIA增益從2增大到128，其帶寬會降低，而其折合到輸出端(RTO)的噪聲會增大；因此，信噪比(SNR)會降低。

圖5.帶寬與頻率的關(guān)系

? CMRR

圖6顯示在不同的PGIA增益設(shè)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，通過對不同的增益設(shè)置施加不同的輸入電壓，將其輸出設(shè)置為8.192V 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(guī)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(guī)格，例如帶寬、擺率、漂移和失真。

表3.獨(dú)立的PGIA的關(guān)鍵規(guī)格

PGIA增益(V/V)	-3dB帶寬(MHz)	擺率(V/µs)	漂移(µV/°C)	THD (dB)，F_IN = 1kHz
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	N/A	0.026	-103.32

驅(qū)動信號鏈的PGIA μModule解決方案

圖8顯示選定的多路復(fù)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(gòu)成的寬帶PGIA可以驅(qū)動有15MSPS采樣速率的ADAQ23875信號鏈uModule。ADAQ23875包含內(nèi)部全差分放大器；因此，應(yīng)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(shè)置為約-0.5dBFS。

圖8.驅(qū)動ADAQ23875的分立式PGIA的簡化信號鏈

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(shè)置下的動態(tài)范圍和折合到輸入端(RTI)的噪聲，請參考表4。

表4.PGIA驅(qū)動ADAQ23875時(shí)的動態(tài)范圍和RTI噪聲

PGIA增益(V/V)	輸入范圍(V p-p)	動態(tài)范圍(dB)	RTI噪聲(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放大器時(shí)，驅(qū)動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)動態(tài)范圍或SNR會降低，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(jié)合，可降低噪聲并支持過采樣，以實(shí)現(xiàn)極低的RMS噪聲并在寬帶內(nèi)檢測小幅度信號。換句話說，對快速瞬變和小信號電平進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)，15MSPS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。過采樣是指以比兩倍信號帶寬（滿足奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)所必需）快得多的速度進(jìn)行采樣。例如，對ADAQ23875進(jìn)行4倍過采樣可額外提供1位分辨率，或增加6dB的動態(tài)范圍，換言之，由于此過采樣而實(shí)現(xiàn)的動態(tài)范圍改進(jìn)定義為：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，單位dB。ADAQ23875的典型動態(tài)范圍在15MSPS時(shí)為91dB，對于4.096V基準(zhǔn)電壓源，其輸入對地短路。例如，當(dāng)ADAQ23875進(jìn)行256倍過采樣時(shí)，這對應(yīng)于29.297kHz的信號帶寬和接近111dB的動態(tài)范圍（對于不同的增益選項(xiàng)），因此可以精確檢測出μV級別的小信號。為了適應(yīng)所執(zhí)行的測量，可以應(yīng)用額外的過采樣來權(quán)衡噪聲和帶寬。

圖9.使用PGIA驅(qū)動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(qū)動ADAQ23875時(shí)，信號鏈（高達(dá)100kHz，從100kHz至1MHz）的THD性能。由于ADA4898-1的帶寬和擺率開始下降，THD會隨著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(qū)動ADAQ23875，以及使用LTC6373和ADA945-1的組合在15MSPS采樣率下驅(qū)動LTC2387-16時(shí)，兩個(gè)信號鏈的THD性能比較。

圖10.使用PGIA驅(qū)動ADAQ23875時(shí)，THD與頻率的關(guān)系。

圖11.PGIA驅(qū)動ADAQ23875以及LTC6373 + ADA4945-1驅(qū)動LTC2387-16時(shí)，THD信號鏈的性能比較。

圖12.驅(qū)動ADAQ23875的PGIA (G=2)的INL圖

圖13.驅(qū)動ADAQ23875的PGIA (G = 2)的DNL圖

? 積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)

使用PGIA驅(qū)動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(shè)置，INL和DNL一般都保持在±0.5LSB以內(nèi)。

結(jié)論

本文介紹了使用ADA4898-1放大器、ADG1209多路復(fù)用器和LT5400精密匹配電阻構(gòu)建分立式寬帶寬PGIA的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在幾十毫伏到10V的單端/差分信號輸入范圍內(nèi)，同時(shí)驅(qū)動16位15MSPS采樣率的 ADAQ23875信號鏈μModule的解決方案可實(shí)現(xiàn)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為特定客戶群定制，旨在構(gòu)建用于自動化測試設(shè)備、電源監(jiān)控和分析儀的測試儀表。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)在現(xiàn)代數(shù)字經(jīng)濟(jì)的中心發(fā)揮重要作用，憑借其種類豐富的模擬與混合信號、電源管理、RF、數(shù)字與傳感技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成有行動意義的洞察。ADI服務(wù)于全球12.5萬家客戶，在工業(yè)、通信、汽車與消費(fèi)市場提供超過7.5萬種產(chǎn)品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。更多信息請?jiān)L問：http://www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Maithil Pachchigar是ADI公司麻薩諸塞州威明頓市工業(yè)和多市場事業(yè)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。自2010年加入ADI公司以來，他致力于儀器儀表、工業(yè)和醫(yī)療健康行業(yè)的精密信號鏈解決方案工作和客戶支持。自2005年以來，Maithil一直在半導(dǎo)體行業(yè)工作，并已獨(dú)立及合作發(fā)表多篇技術(shù)文章。Maithil獲印度S.V.國家技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)學(xué)士學(xué)位、圣何塞州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位，以及硅谷大學(xué)MBA學(xué)位。

John Neeko Garlitos是ADI公司的信號鏈μModule解決方案產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他從事信號鏈µModule開發(fā)和參考電路方面的工作。他于2017年開始在ADI菲律賓GT公司工作。他擁有菲律賓科技大學(xué)沙鄢分校電子工程理學(xué)士學(xué)位以及菲律賓迪里曼大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。

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