近十年財險業務快速發展 財產保險業風險保障水平不提升
2022-11-25 15:41:56
如何為寬帶的精密信號鏈設計可編程增益儀表放大器
2022-11-25 15:41:56 來源: 電子創新網
作者：ADI系統應用工程師Maithil Pachchigar和ADI產品應用工程師John Neeko Garlitos
精密數據采集子系統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、調節和獲取，或者合成和驅動。硬件設計人員在開發這些數據采集信號鏈時，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基于全差分、高精度SAR架構的ADC，需要至少一個信號調理或驅動級放大器。隨著人們越來越注重通過系統軟件和應用來提供與眾不同的系統解決方案，整個行業不斷迅速發展變化。但是，受緊張的研發預算和上市時間限制，用于構建模擬電路并制作原型來驗證其功能的時間也越來越少。這樣就增加了硬件開發資源的壓力，需要進一步減少設計迭代。本文將介紹在設計分立式寬帶全差分PGIA時要注意的關鍵事項，并展示PGIA在驅動高速信號鏈μModule?數據采集解決方案時的精密性能。
(資料圖)
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。
圖1.簡化的PGIA電路框圖
表1.PGIA設計限制和關鍵規格
PGIA規范 | 設計要求 | 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+VS/-VS | +15V/-15V、-6V/-2V | 可以使用單個5V電源為FDA供電（權衡取舍：3dB至4dB SNR下降） |
帶寬 | >50MHz | 需要以15MSPS驅動SAR ? ADC |
噪聲 | <2nV/√Hz | 需要實現高于85dB的SNR |
失調電壓漂移 | ≤2μV/°C | 總體低漂移可以降低系統的校準負擔 |
CMRR | >90dB（所有增益） | |
信號鏈規格 | ||
μModule全差分 | 16位/18位 | |
μModule采樣速率 | 15MSPS | 必要時，可以使用更低的采樣速率 |
SNR (100kHz) | G=2時>85dB，G=128時>73dB | 設計目標 |
THD (100kHz) | G=2時<-105dB，G=128時<-70dB | 設計目標 |
這個分立式PGIA使用以下部件構建：
?ADA4898-1低噪聲高速放大器
?LT5400四通道匹配電阻網絡，用作增益和反饋電阻，用于設置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規格，用于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。
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于高速SAR架構的信號鏈μModule解決方案和實現優化性能，取決于放大器和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。只有驅動ADC（例如LTC2387-16/LTC2387-18）時，才需要使用ADA4945-1(FDA)。設置PGIA增益的標準取決于所選的放大器、反饋電阻和多路復用器，下面來詳細討論。
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0.2ppm/°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)優于獨立匹配電阻。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，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系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
器件 | R2 = R3 (kΩ) | R1 = R4 (kΩ) | RGAIN(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 |
要將增益設置為高于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(RGAIN)，并使用LT5400-4作為反饋電阻來實現目標增益64和128，如圖2所示。
圖2.多路復用器、LT5400和RGAIN電阻設置PGIA增益
要計算RGAIN值，請參考公式4至8。
要實現所需的增益，RGAIN的值應為：
選擇多路復用器
使用多路復用器，通過選擇LT5400四通道電阻網絡可控制該PGIA電路的多個增益。為這個寬帶分立式PGIA設計選擇多路復用器時，應考慮多路復用器的多個重要參數，例如導通電阻(RON)、導通電容(CON)和關斷電容(COFF)。在這個寬帶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/關斷電容的影響。Cc與RON、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并聯一個反饋電容。如圖2所示，此處選擇了ADA4898-1數據手冊中推薦的優化Cc值2.7pF。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。
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
由兩個高速ADA4898-1放大器和一個ADG1209多路復用器構成的PGIA前端需要使用±15V電源來驅動，而ADA4945-1 FDA需要使用6V和2V電源軌來實現優化信號鏈性能。雖然此板需要使用臺式電源，但是針對該PGIA電路，ADI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系圖。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.帶寬與頻率的關系
CMRR
圖6顯示在不同的PGIA增益設置下，CMRR與頻率的關系圖。
圖6.CMRR與頻率的關系
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置施加不同的輸入電壓，將其輸出設置為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系。
圖7.PGIA THD與頻率的關系
關鍵規格匯總
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
PGIA增益(V/V) | -3dB帶寬(MHz) | 擺率(V/μs) | 漂移(μV/°C) | THD (dB)，FIN= 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 |
驅動信號鏈的PGIA μModule解決方案
圖8顯示選定的多路復用器作為兩個低噪聲、高速放大器ADA4898-1的增益輸入端與LT5400精密電阻網絡并聯構成的寬帶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)信號源用于評估SNR和THD，在本例中，輸入幅度設置為約-0.5dBFS。
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）在特定輸入范圍或增益設置下的動態范圍和折合到輸入端(RTI)的噪聲，請參考表4。
表4.PGIA驅動ADAQ23875時的動態范圍和RTI噪聲
PGIA增益(V/V) | 輸入范圍(V p-p) | 動態范圍(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，驅動ADAQ23875的分立式PGIA的SNR性能與頻率的關系圖如圖9所示。PGIA增益增大時，整個動態范圍或SNR會降低，這是由于單個電阻、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，可降低噪聲并支持過采樣，以實現極低的RMS噪聲并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，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6dB的動態范圍，換言之，由于此過采樣而實現的動態范圍改進定義為：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，單位dB。ADAQ23875的典型動態范圍在15MSPS時為91dB，對于4.096V基準電壓源，其輸入對地短路。例如，當ADAQ23875進行256倍過采樣時，這對應于29.297kHz的信號帶寬和接近111dB的動態范圍（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與頻率的關系。
失真
圖10和圖11顯示使用分立式PGIA驅動ADAQ23875時，信號鏈（高達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驅動ADAQ23875，以及使用LTC6373和ADA945-1的組合在15MSPS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與頻率的關系。
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。
圖12.驅動ADAQ23875的PGIA (G=2)的INL圖
圖13.驅動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。對于所有其他增益設置，INL和DNL一般都保持在±0.5LSB以內。
結論
本文介紹了使用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，同時驅動16位15MSPS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，旨在構建用于自動化測試設備、電源監控和分析儀的測試儀表。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)在現代數字經濟的中心發揮重要作用，憑借其種類豐富的模擬與混合信號、電源管理、RF、數字與傳感技術，將現實世界的現象轉化成有行動意義的洞察。ADI服務于全球12.5萬家客戶，在工業、通信、汽車與消費市場提供超過7.5萬種產品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。更多信息請訪問：http://www.analog.com/cn。
關于作者
Maithil Pachchigar是ADI公司麻薩諸塞州威明頓市工業和多市場事業部的系統應用工程師。自2010年加入ADI公司以來，他致力于儀器儀表、工業和醫療健康行業的精密信號鏈解決方案工作和客戶支持。自2005年以來，Maithil一直在半導體行業工作，并已獨立及合作發表多篇技術文章。Maithil獲印度S.V.國家技術學院電子工程學學士學位、圣何塞州立大學的電氣工程碩士學位，以及硅谷大學MBA學位。
John Neeko Garlitos是ADI公司的信號鏈μModule解決方案產品應用工程師。他從事信號鏈μModule開發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沙鄢分校電子工程理學士學位以及菲律賓迪里曼大學電子工程碩士學位。
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