作者：Scott Hunt
問：
我有一個儀表放大器，但我需要更寬的動態(tài)范圍，而不是單一增益。我可以通過多路復用增益電阻來獲得可編程增益嗎？
答：
為了實現(xiàn)高精度傳感器測量動態(tài)范圍的最大化，可能需要使用可編程增益儀表放大器(PGIA)。由于大多數(shù)儀表放大器使用外部增益電阻(RG )來設置增益，似乎通過一組多路復用增益電阻就可以實現(xiàn)所需的可編程增益。雖然這是可能的，但在以這種方式將固態(tài)多路復用器施加于系統(tǒng)之前需要考慮三個主要問題：電源與信號電壓的限制、開關電容和導通電阻。
圖 1.AD8421 PGIA 帶有多路復用器。
保持在信號電壓范圍內(nèi)
固態(tài)CMOS開關需電源供電。源電壓或漏極電壓超過電源電壓時，故障電流流過，會導致輸出不正確。每個電阻RG 引腳的電壓通常處于二極管相應輸入端的壓降范圍內(nèi)；因此，該開關的信號電壓范圍須大于儀表放大器的輸入范圍。
考慮電容
該開關電容類似于將電容懸于其中一個RG 引腳上，并保持另一個RG 引腳不變。足夠大的電容可能導致峰化或不穩(wěn)定，但更容易被忽視的問題是對共模抑制比的影響。在電路板布局中，接地層一般從Rg引腳下方移除，因為小于1 pF的電容不平衡會大大降低AC CMRR。開關電容可為幾十pF，會導致較大誤差。以具有完美CMRR的儀表放大器為簡單示例，不存在RG ，僅在一個RG 引腳上存在電容，由電容引起的CMRR的估算如下：
CMRR(f) = –20 × log10 (f × 2π × CRG × RF)
例如，如果內(nèi)部反饋電阻RF = 25 kΩ，CRG = 10 pF，則10 kHz時的CMRR僅為36 dB。這表明需要使用低電容開關或平衡開關架構，如圖2所示的SPST開關。
關于阻抗
最后，根據(jù)儀表放大器的增益公式，開關的導通電阻直接影響增益。如果導通電阻足夠低，以至于仍能實現(xiàn)所需增益，這或許可行。然而，此開關的導通電阻隨漏極電壓發(fā)生變化（指定為RFLAT(ON) ）。開關電阻的變化使增益既依賴于共模電壓，又會產(chǎn)生非線性效應。例如，使用1 kΩ的RG 和具有10 Ω RFLAT(ON) 的開關，在共模范圍內(nèi)會引起1％的增益不確定性。一部分將轉(zhuǎn)化為差分信號（即2 ?變化將會引起2000 ppm的非線性度）。這表明需要使用低導通電阻開關，與上述建議的低電容開關截然相反，因為大尺寸晶體管器件尺寸可實現(xiàn)低導通電阻，而小尺寸晶體管可實現(xiàn)低電容。ADG5412F故障保護四通道SPST開關在許多情況下提供了很好的解決方案。這些故障保護開關的架構能夠提供10 Ω的導通電阻，在整個信號范圍內(nèi)，導通電阻曲線非常平坦，并且關斷電容僅為12 pF。
圖 2. 采用 ADG5412F 四通道 SPST 和 AD8421 的平衡式 PGIA 。
了解替代方案
如果這些電路仍不能滿足設計要求，還可以采用其他方法來實現(xiàn)儀表放大器的可編程增益功能。強烈建議選擇集成式PGIA（如果有合適的）。集成式PGIA旨在實現(xiàn)高性能、更小的尺寸，比分立解決方案的寄生效應更少，并且規(guī)格包含內(nèi)部開關效應。AD8231、AD8250/AD8251/AD8253以及LTC6915便是集成式PGIA很好的例子。此外，還有一些更高集成度的解決方案包含此功能，如AD7124-8和ADAS3022。
結論
儀表放大器是在芯片級盡可能保持平衡的高精度元件，以實現(xiàn)共模抑制。使用固態(tài)開關的確有可能構建可編程增益儀表放大器，但是這種方式也非常容易使儀表放大器失去其特有的平衡，同時降低電路精度。為了進行必要的取舍，需要考慮開關的非理想效應。平衡開關架構和現(xiàn)代開關（如ADG5412F）是優(yōu)化這些設計的利器。建議使用集成式PGIA，因為它們已經(jīng)在規(guī)格中考慮了開關效應。
Scott Hunt [scott.hunt@analog.com] 是 ADI 公司線性和精密技術部（美國馬薩諸塞州威明頓市）的系統(tǒng)應用工程師，主要從事精密儀器儀表工作。 Scott 于 2011 年作為一名產(chǎn)品應用工程師加入 ADI 公司，負責儀表放大器等高性能集成式精密放大器。他擁有倫斯勒理工學院電氣和計算機系統(tǒng)工程學士學位。 Scott 榮獲 ADI 公司 2015 年杰出技術寫作獎和 2015 年杰出計劃支持獎。
Scott Hunt
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第48卷，第1期
