【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
，以及如何節省時間和減少設計迭代次數。展示的PGIA架構經過優化，可以全速驅動基於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寬帶寬信號鏈的精密性能。

簡介

精密數據采集子係統通常由高性能的分立式線性信號鏈模塊組成，用於測量和保護、調(tiao)節(jie)和(he)獲(huo)取(qu)，或(huo)者(zhe)合(he)成(cheng)和(he)驅(qu)動(dong)。硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)開(kai)發(fa)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)信(xin)號(hao)鏈(lian)時(shi)
，通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)高(gao)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)，以(yi)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)多(duo)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)利(li)用(yong)可(ke)編(bian)程(cheng)增(zeng)益(yi)使(shi)電(dian)路(lu)適(shi)應(ying)不(bu)同(tong)的(de)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)幅(fu)度(du)——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基於全差分


、高精度SAR架構的ADC
，xuyaozhishaoyigexinhaotiaolihuoqudongjifangdaqi。suizhedajiayuelaiyuezhuzhongtongguoxitongruanjianheyingyonglaitigongyuzhongbutongdexitongjiejuefangan，zhenggexingyebuduanxunsufazhanbianhua。danshi，shoujinzhangdeyanfayusuanheshangshishijianxianzhi，yongyugoujianmonidianlubingzhizuoyuanxinglaiyanzhengqigongnengdeshijianyeyuelaiyueshao。zheyangjiuzengjialeyingjiankaifaziyuandeyali，xuyaojinyibujianshaoshejidiedai。benwenzhezhongjieshaozaishejifenlishikuandaiquanchafenPGIA時要注意的重要方麵，並展示PGIA在驅動高速信號鏈μModule^®數據采集解決方案時的精密性能。

PGIA設計描述

圖1顯示分立式寬帶全差分PGIA簡化電路的框圖。有關此PGIA電路的關鍵規格和設計要求，請參見表1。

表1. PGIA設計限製和關鍵規格

這個分立式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™多路複用器
，用於控製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滿足表1中突出顯示的PGIA規格，用於在驅動全差分高速信號鏈μModule數據采集解決方案（例如 ADAQ23875 和 ADAQ23878）和以及ADC（例如 LTC2387-16/LTC2387-18）時實現優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

這款寬帶分立式PGIA解決方案能否驅動基於高速SAR架構的信號鏈μModule解決方案和實現優化性能

，取決於放大器和FDA的關鍵規格（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。隻有驅動ADC（例如LTC2387-16/LTC2387-18）時，才需要使用ADA4945-1 (FDA)。設置PGIA增益的標準取決於所選的放大器、反饋電阻和多路複用器，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。LT5400四通道電阻網絡提供0.2 ppm/°C的匹配漂移和0.01%的電阻匹配，工作溫度範圍很寬
，共模抑製比(CMRR)優於獨立匹配電阻。FDA周圍的增益電阻也需要精準匹配，以實現優化的CMRR性能。

LT5400電阻網絡用於設置放大器的增益。增益計算如公式1至公式3所示。

使用LT5400時，通過設置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係列提供多種電阻選項
，如表2所示。可以使用單位增益配置的放大器來旁路ADG1209多路複用器
，所以在本例中
，總PGIA設置為2。

表2. LT5400電阻選項和等效增益

要將增益設置為高於20，需要在兩個ADA4898-1放大器的反相輸入端之間添加一個外部精密匹配的增益電阻(R_GAIN)
，並使用LT5400-4作為反饋電阻來實現目標增益64和128，如圖2所示。

要計算R_GAIN值

，請參考公式4至8。

要實現所需的增益，R_GAIN的值應為：

選擇多路複用器

使用多路複用器，通過選擇LT5400四通道電阻網絡可控製該PGIA電路的多個增益。為這個寬帶分立式PGIA設計選擇多路複用器時，應考慮多路複用器的多個重要參數
，例如導通電阻(R_ON)、導通電容(C_ON)和關斷電容(C_OFF)。在這個寬帶PGIA設計中
，建議使用ADG1209多路複用器。在放大器的反饋路徑中添加補償電容(Cc)，會盡可能減小增益頻響的高頻尖峰（提高放大器的穩定性）
，並降低多路複用器導通/關斷電容的影響。Cc與R_ON
、反饋電阻和增益電阻會構成一個極點
，該極點將會補償反饋環路增益中寄生電容產生的零點的影響。應優化Cc值
，以實現所需的閉環響應。當ADA4898-1電路中使用更高的反饋電阻值時
，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），在閉環增益的頻響中會出現更高的尖峰。為了避免這個問題
，在ADA4898-1中一個更高的反饋電阻需要並聯一個反饋電容。如圖2所示，此處選擇了 ADA4898-1 數據手冊中推薦的優化Cc值2.7 pF。使用更小的Cc時，使增益頻響的尖峰更高，但是如果使用的Cc過大，則會影響閉環增益的增益平坦度。

圖 2. 多路複用器、LT5400 和 R_GAIN 電阻設置 PGIA 增益。

PGIA電源

圖3顯示用於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。

由兩個高速ADA4898-1放大器和一個ADG1209多路複用器構成的PGIA前端需要使用±15 V電源來驅動，而ADA4945-1 FDA需要使用6 V和2 V電源軌來實現優化信號鏈性能。雖然此板需要使用台式電源

，但是針對該PGIA電路，我們更推薦 LTpowerPlanner^® 電源軌的樹形結構設計，它同樣展示了每個電源軌的負載電流，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置下，閉環增益與頻率的關係圖。當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. 帶寬與頻率的關係。

CMRR

圖6顯示在不同的PGIA增益設置下，CMRR與頻率的關係圖。

圖 6. CMRR 與頻率的關係。

失真

Audio Precision^® (APX555)信號分析儀用於測試PGIA板（圖4）的失真性能，通過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係。

圖 7. PGIA THD 與頻率的關係。

關鍵規格彙總

表3列出了使用分立式PGIA評估板（圖4）在測試台上測得的關鍵PGIA規格，例如帶寬
、擺率、漂移和失真。

表3. 獨立的PGIA的關鍵規格

驅動信號鏈的PGIA μModule解決方案

圖8顯示選定的多路複用器作為兩個低噪聲、高速放大器ADA4898-1的增益輸入端與LT5400精密電阻網絡並聯構成的寬帶PGIA可以驅動有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)信號源用於評估SNR和THD
，在本例中，輸入幅度設置為約–0.5 dBFS。

圖 8. 驅動 ADAQ23875 的分立式 PGIA 的簡化信號鏈。

完整信號鏈性能

噪聲

有關完整信號鏈（圖8）在特定輸入範圍或增益設置下的動態範圍和折合到輸入端(RTI)的噪聲

，請參考表4。

表4. PGIA驅動ADAQ23875時的動態範圍和RTI噪聲

使用ADA4898-1放大器時，驅動ADAQ23875的分立式PGIA的SNR性能與頻率的關係圖如圖9所示。PGIA增益增大時
，整個動態範圍或SNR會降低
，這是由於單個電阻、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
，可降低噪聲並支持過采樣，以實現極低的RMS噪聲並在寬帶內檢測小幅度信號。換句話說，對快速瞬變和小信號電平進行數字化處理時，15 MSPS的采樣速率大大放寬了抗混疊濾波器要求並充分提高了帶寬。過采樣是指以比兩倍信號帶寬（滿足奈奎斯特標準所必需）快得多的速度進行采樣。例如，對ADAQ23875進行4倍過采樣可額外提供1位分辨率
，或增加6 dB的動態範圍
，換言之，由於此過采樣而實現的動態範圍改進定義為：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，單位dB。ADAQ23875的典型動態範圍在15 MSPS時為91 dB
，對於4.096 V基準電壓源，其輸入對地短路。例如，當ADAQ23875進行256倍過采樣時


，這對應於29.297 kHz的信號帶寬和接近111 dB的動態範圍（對於不同的增益選項），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，可以應用額外的過采樣來權衡噪聲和帶寬。

圖 9. 使用 PGIA 驅動 ADAQ23875 時，SNR 與頻率的關係。

失真

圖10和圖11顯示使用分立式PGIA驅動ADAQ23875時，信號鏈（高達100 kHz，從100 kHz至1 MHz）的THD性能。由於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驅動ADAQ23875，以及使用LTC6373和ADA945-1的組合在15 MSPS采樣率下驅動LTC2387-16時，兩個信號鏈的THD性能比較。

圖 10. 使用 PGIA 驅動 ADAQ23875 時

，THD 與頻率的關係。

圖 11. PGIA 驅動 ADAQ23875 以及 LTC6373 + ADA4945-1 驅動 LTC2387-16 時，THD 信號鏈的性能比較。

積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)

使用PGIA驅動ADAQ23875時
，必須保持信號鏈的整體直流精度，這一點也很重要。圖12和圖13顯示PGIA增益為2時
，典型的INL和DNL性能。對於所有其他增益設置，INL和DNL一般都保持在±0.5 LSB以內。

圖 12. 驅動 ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 INL 圖。

圖 13. 驅動 ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 DNL 圖。

結論

本文介紹使用ADA4898-1放大器、ADG1209多路複用器和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/差分信號輸入範圍內，同時驅動16位15 MSPS采樣率的ADAQ23875信號鏈μModule的解決方案可實現高精度測量。與使用市麵上可用的單片式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製，旨在構建用於自動化測試設備
、電源監控和分析儀的測試儀表。

參考電路

Pachchigar，Maithil。“利用過采樣提高SAR ADC的動態範圍”。 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。

來源：ADI

作者：Maithil Pachchigar 和 John Neeko Garlitos

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