如何為精密寬帶寬信號鏈設計可編程增益儀表放大器

作者：Maithil Pachchigar和John Neeko Garlitos

本文旨在幫助硬件設計人員設計寬帶寬可編程增益儀表放大器（PGIA），從選擇現(xiàn)成的分立元件到性能評估，以及如何節(jié)省時間和減少設計迭代。所提出的PGIA架構經(jīng)過優(yōu)化，可全速驅(qū)動基于高精度逐次逼近寄存器（SAR）架構的信號鏈。本文還演示了PGIA在驅(qū)動各種增益選項的寬帶寬信號鏈方面的精密性能。

介紹

精密數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通常由高性能、分立式線性信號鏈模塊組成，用于測量和保護、調(diào)理和采集或合成和驅(qū)動。開發(fā)這些數(shù)據(jù)采集信號鏈的硬件設計人員通常需要高輸入阻抗，以便與各種傳感器直接接口。在這種情況下，通常需要可編程增益來使電路適應不同的輸入信號幅度——單極性或雙極性、單端或具有不同共模電壓的差分。傳統(tǒng)上，大多數(shù)PGIA由單端輸出組成，無法全速直接驅(qū)動基于全差分、高精度SAR架構的信號鏈，并且可能需要至少一個信號調(diào)理或驅(qū)動器級。隨著對系統(tǒng)軟件和應用程序的關注日益增加，行業(yè)動態(tài)一直在迅速發(fā)展，以區(qū)分系統(tǒng)解決方案。由于研發(fā)預算緊張和上市時間限制，構建和原型模擬電路以驗證其功能的時間更少。硬件開發(fā)資源承受著越來越大的壓力，以減少設計迭代。本文重點介紹設計分立式寬帶寬、全差分PGIA的關鍵方面，并演示其在驅(qū)動高速信號鏈μModule數(shù)據(jù)采集解決方案時的精密性能。?

PGIA設計說明

圖1顯示了分立式寬帶寬、全差分PGIA簡化電路框圖。該PGIA電路的主要規(guī)格和設計要求如表1所示。

此離散 PGIA 使用以下組件構建：

ADA4898-1 低噪聲、高速放大器

LT5400 四通道匹配電阻器網(wǎng)絡，用作增益和反饋電阻器以設置 PGIA 增益

ADG1209 低電容、iCMOS? 多路復用器，用于控制 PGIA 增益

ADA4945-1 寬帶寬、全差分放大器（FDA）

選擇這種寬帶寬PGIA電路的分立元件是為了滿足表1中突出顯示的PGIA規(guī)格，并在驅(qū)動全差分高速信號鏈μModule數(shù)據(jù)采集解決方案（如ADAQ23875和ADAQ23878）以及ADC如LTC2387-16/LTC2387-18時實現(xiàn)優(yōu)化的交流和直流性能。

圖1.簡化的PGIA電路框圖。

設計技巧和組件選擇

這種寬帶寬分立PGIA解決方案能否驅(qū)動基于SAR架構的高速信號鏈μModule解決方案并實現(xiàn)優(yōu)化性能，取決于放大器以及FDA的關鍵規(guī)格（如帶寬、壓擺率、噪聲和失真）。之所以選擇ADA4898-1和ADA4945-1，是因為它們的增益帶寬（GBW）產(chǎn)品支持該信號鏈的總體帶寬要求。ADA4945-1 （FDA） 僅在驅(qū)動 LTC2387-16 / LTC2387-18 等 ADC 時需要。PGIA增益的設置標準取決于放大器、反饋電阻和多路復用器的選擇，如下一節(jié)所述。

設置 PGIA 增益

選擇增益和反饋電阻

放大器的增益和反饋電阻應精確匹配。LT5400四通道電阻器網(wǎng)絡在寬溫度范圍內(nèi)提供0.2 ppm/°C匹配漂移和0.01%電阻匹配，以及比獨立匹配電阻更好的共模抑制比（CMRR）。FDA周圍的增益電阻也需要精確匹配，以實現(xiàn)最佳的CMRR性能。LT5400 電阻器網(wǎng)絡用于設置放大器的增益。增益計算如公式1至3所示。

通過使用 LT5400 時設置 R1 = R4 和 R2 = R3，增益將為：

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 系列具有多種電阻器選項，如表 2 所示。ADG1209多路復用器可以通過單位增益配置中的放大器旁路，因此在這種情況下，總PGIA將設置為2。

為了將增益設置為高于20，需要外部精密匹配增益電阻（R獲得）在ADA4898-1放大器的反相輸入之間添加，LT5400-4用作反饋電阻，以實現(xiàn)64和128的目標增益，如圖2所示。

計算 R獲得值，請參閱等式 4 到 8。

和R的值獲得期望的收益是：

選擇多路復用器

一個多路復用器用于通過選擇 LT5400 四通道電阻器網(wǎng)絡來控制該 PGIA 電路的各種增益。為這種寬帶寬分立PGIA設計選擇多路復用器時，多路復用器的重要參數(shù)如導通電阻（R上）、導通電容 （C上），和關斷電容 （C關閉）應考慮。對于這種寬帶寬PGIA設計，建議使用ADG1209多路復用器。補償電容（Cc）被添加到放大器的反饋路徑中，以最小化增益峰值并降低多路復用器開/關電容的影響。抄送與 R上、反饋和增益電阻將產(chǎn)生一個極點，這將補償反饋環(huán)路增益中容性寄生零點的影響。應優(yōu)化Cc值以實現(xiàn)所需的閉環(huán)響應。當ADA4898-1周圍使用較高的反饋電阻值時，由于其高輸入電容，閉環(huán)增益中會出現(xiàn)更多的峰值。為避免此問題，應在ADA4898-1周圍并聯(lián)使用較高的反饋電阻值和反饋電容。此處選擇的優(yōu)化Cc值為2.7 pF，這是ADA4898-1數(shù)據(jù)手冊中的推薦值，如圖2所示。較小的Cc將具有最小的增益峰值，而太大的Cc將影響閉環(huán)增益的增益平坦度。

圖2.與 LT5400 和 R 一起的多路復用器獲得電阻設置PGIA增益。

PGIA電源

圖3顯示了用于評估這種分立式寬帶寬PGIA設計性能的電路板。

圖3.分立式寬帶寬PGIA評估板。

PGIA前端由兩個高速ADA4898-1放大器和一個ADG1209多路復用器組成，需要±15 V電源供電，而FDA需要6 V和2 V電源軌才能實現(xiàn)最佳信號鏈性能。雖然此板需要臺式電源，但推薦LTpowerPlanner?該PGIA電路每個電源軌的電源樹和電流如圖4所示。

圖4.推薦的電源樹。

PGIA性能

帶寬

圖5顯示了不同增益設置的閉環(huán)增益與頻率的關系圖。隨著PGIA增益從2增加到128，其帶寬將減小，而折合到輸出（RTO）的噪聲將增加;因此，信噪比（SNR）將降低。

圖5.帶寬與頻率的關系。

CMRR

圖6顯示了不同PGIA增益設置下的CMRR與頻率的關系圖。

圖6.CMRR 與頻率的關系。

失真

音頻精度 （APX555） 信號分析儀用于測試 PGIA 板的失真性能（圖 4），通過對各種增益設置施加各種輸入電壓，將其輸出設置為 8.192 V p-p。圖7顯示了分立式寬帶寬PGIA的總諧波失真（THD）與頻率性能的關系。?

圖7.PGIA總諧波失真與頻率的關系。

主要規(guī)格摘要

表3匯總了使用分立式PGIA板在工作臺上測量的關鍵PGIA規(guī)格，例如帶寬、壓擺率、漂移和失真（圖4）。

驅(qū)動信號鏈μModule解決方案的PGIA解決方案

圖8顯示，所選多路復用器輸入后跟兩個低噪聲、高速放大器ADA4898-1，結(jié)合LT5400四通道精密匹配電阻網(wǎng)絡，以15 MSPS驅(qū)動ADAQ23875信號鏈μModule。ADAQ23875內(nèi)置一個全差分放大器;因此，應繞過寬帶寬分立PGIA板的FDA模塊（圖4）。音頻精度 （APx555） 信號源用于評估 SNR 和 THD，在本例中，輸入幅度設置為 –0.5 dBFS 左右。

圖8.驅(qū)動ADAQ23875的分立PGIA的簡化信號鏈。

完整的信號鏈性能

噪聲

完整信號鏈的特定輸入范圍或增益設置（圖8）的動態(tài)范圍和折合到輸入（RTI）噪聲如表4所示。

使用ADA4898-1放大器時，驅(qū)動ADAQ23875的分立PGIA的SNR性能與頻率的關系如圖9所示。PGIA增益增加導致的整體動態(tài)范圍或SNR下降歸因于單個電阻、放大器和μModule解決方案的固有噪聲。

ADAQ23878的精密性能與高采樣速率相結(jié)合，可降低噪聲，實現(xiàn)超低均方根噪聲，并在寬帶寬內(nèi)檢測小幅度信號。換言之，15 MSPS采樣速率大大放寬了抗混疊濾波器要求，并在數(shù)字化快速瞬變和小信號電平時最大化帶寬。過采樣是指采樣速度遠遠超過滿足奈奎斯特準則所需信號帶寬的兩倍。例如，對ADAQ23875進行四倍的過采樣可提供額外的一位分辨率或動態(tài)范圍增加6 dB，換句話說，由于這種過采樣而改善的DR定義為：ΔDR = 10 × log10 （OSR），單位為dB。對于4.096 V基準電壓源，ADAQ23875的典型動態(tài)范圍在15 MSPS時為91 dB，其輸入短路至地。例如，當ADAQ23875的過采樣系數(shù)為256×時，這對應于29.297 kHz的信號帶寬和接近111 dB的動態(tài)范圍，對于不同的增益選項，可以精確檢測小幅度μV信號。可以應用額外的過采樣來權衡噪聲和帶寬，以適應正在執(zhí)行的測量。

圖9.SNR與頻率的關系，PGIA驅(qū)動ADAQ23875。

失真

圖10和圖11顯示了ADAQ23875由分立PGIA驅(qū)動時信號鏈的THD性能（高達100 kHz和100 kHz至1 MHz）。由于ADA4898-1的帶寬和壓擺率開始惡化，THD隨著PGIA增益和輸入信號頻率的增加而逐漸降低。圖11還顯示了PGIA驅(qū)動ADAQ23875時兩個信號鏈的THD性能比較，與LTC6373和ADA945-1的組合以15 MSPS驅(qū)動LTC2387-16時的性能比較。

圖 10.THD與頻率的關系，PGIA驅(qū)動ADAQ23875。

圖 11.驅(qū)動ADAQ23875和LTC6373 + ADA4945-1 + LTC2387-16的PGIA的THD信號鏈性能比較。

積分非線性 （INL） 和微分非線性 （DNL）

當PGIA驅(qū)動ADAQ23875時，保持信號鏈的整體直流精度也很重要。圖12和圖13顯示了PGIA增益為2時的典型INL和DNL性能。對于所有其他增益設置，INL和DNL通常保持在±0.5 LSB以內(nèi)。

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。

結(jié)論

本文重點介紹采用ADA4898-1放大器、ADG1209多路復用器和LT5400精密匹配電阻構建的分立式寬帶寬PGIA的設計方面。它展示了數(shù)十毫伏至低于10 V的單端/差分信號的高精度測量，這些信號饋入16位、15 MSPS ADAQ23875信號鏈μModule解決方案。與使用市場上的單片PGIA相比，完整的信號鏈可提供更好的整體精度性能。這種寬帶寬信號鏈是為一組特定的客戶量身定制的，他們構建了用于自動化測試設備、電源監(jiān)控和分析儀的測試儀器。