作者：Maithil Pachchigar和John Neeko Garlitos

本文旨在幫助硬件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)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(píng)估，以及如何節(jié)省時(shí)間和減少設(shè)計(jì)迭代。所提出的PGIA架構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可全速驅(qū)動(dòng)基于高精度逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)的信號(hào)鏈。本文還演示了PGIA在驅(qū)動(dòng)各種增益選項(xiàng)的寬帶寬信號(hào)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(hào)鏈模塊組成，用于測(cè)量和保護(hù)、調(diào)理和采集或合成和驅(qū)動(dòng)。開(kāi)發(fā)這些數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的硬件設(shè)計(jì)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(lái)使電路適應(yīng)不同的輸入信號(hào)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(wú)法全速直接驅(qū)動(dòng)基于全差分、高精度SAR架構(gòu)的信號(hào)鏈，并且可能需要至少一個(gè)信號(hào)調(diào)理或驅(qū)動(dòng)器級(jí)。隨著對(duì)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序的關(guān)注日益增加，行業(yè)動(dòng)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(yù)算緊張和上市時(shí)間限制，構(gòu)建和原型模擬電路以驗(yàn)證其功能的時(shí)間更少。硬件開(kāi)發(fā)資源承受著越來(lái)越大的壓力，以減少設(shè)計(jì)迭代。本文重點(diǎn)介紹設(shè)計(jì)分立式寬帶寬、全差分PGIA的關(guān)鍵方面，并演示其在驅(qū)動(dòng)高速信號(hào)鏈μModule數(shù)據(jù)采集解決方案時(shí)的精密性能。?

PGIA設(shè)計(jì)說(shuō)明

圖1顯示了分立式寬帶寬、全差分PGIA簡(jiǎn)化電路框圖。該P(yáng)GIA電路的主要規(guī)格和設(shè)計(jì)要求如表1所示。

此離散 PGIA 使用以下組件構(gòu)建：

ADA4898-1 低噪聲、高速放大器

LT5400 四通道匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)，用作增益和反饋電阻器以設(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(mǎn)足表1中突出顯示的PGIA規(guī)格，并在驅(qū)動(dòng)全差分高速信號(hào)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(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的交流和直流性能。

圖1.簡(jiǎn)化的PGIA電路框圖。

設(shè)計(jì)技巧和組件選擇

這種寬帶寬分立PGIA解決方案能否驅(qū)動(dòng)基于SAR架構(gòu)的高速信號(hào)鏈μModule解決方案并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能，取決于放大器以及FDA的關(guān)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?yàn)樗鼈兊脑鲆鎺挘℅BW）產(chǎn)品支持該信號(hào)鏈的總體帶寬要求。ADA4945-1 （FDA） 僅在驅(qū)動(dòng) LTC2387-16 / LTC2387-18 等 ADC 時(shí)需要。PGIA增益的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)取決于放大器、反饋電阻和多路復(fù)用器的選擇，如下一節(jié)所述。

設(shè)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(yīng)精確匹配。LT5400四通道電阻器網(wǎng)絡(luò)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(dú)立匹配電阻更好的共模抑制比（CMRR）。FDA周?chē)脑鲆骐娮枰残枰_匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳的CMRR性能。LT5400 電阻器網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置放大器的增益。增益計(jì)算如公式1至3所示。

通過(guò)使用 LT5400 時(shí)設(shè)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(gòu)成了PGIA的總增益，如表2所示。

LT5400 系列具有多種電阻器選項(xiàng)，如表 2 所示。ADG1209多路復(fù)用器可以通過(guò)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(shè)置為2。

為了將增益設(shè)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(shí)現(xiàn)64和128的目標(biāo)增益，如圖2所示。

計(jì)算 R獲得值，請(qǐng)參閱等式 4 到 8。

和R的值獲得期望的收益是：

選擇多路復(fù)用器

一個(gè)多路復(fù)用器用于通過(guò)選擇 LT5400 四通道電阻器網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制該 PGIA 電路的各種增益。為這種寬帶寬分立PGIA設(shè)計(jì)選擇多路復(fù)用器時(shí)，多路復(fù)用器的重要參數(shù)如導(dǎo)通電阻（R上）、導(dǎo)通電容 （C上），和關(guān)斷電容 （C關(guān)閉）應(yīng)考慮。對(duì)于這種寬帶寬PGIA設(shè)計(jì)，建議使用ADG1209多路復(fù)用器。補(bǔ)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(fù)用器開(kāi)/關(guān)電容的影響。抄送與 R上、反饋和增益電阻將產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，這將補(bǔ)償反饋環(huán)路增益中容性寄生零點(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周?chē)褂幂^高的反饋電阻值時(shí)，由于其高輸入電容，閉環(huán)增益中會(huì)出現(xiàn)更多的峰值。為避免此問(wèn)題，應(yīng)在ADA4898-1周?chē)⒙?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(cè)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(fù)用器獲得電阻設(shè)置PGIA增益。

PGIA電源

圖3顯示了用于評(píng)估這種分立式寬帶寬PGIA設(shè)計(jì)性能的電路板。

圖3.分立式寬帶寬PGIA評(píng)估板。

PGIA前端由兩個(gè)高速ADA4898-1放大器和一個(gè)ADG1209多路復(fù)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(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)鏈性能。雖然此板需要臺(tái)式電源，但推薦LTpowerPlanner?該P(yáng)GIA電路每個(gè)電源軌的電源樹(shù)和電流如圖4所示。

圖4.推薦的電源樹(shù)。

PGIA性能

帶寬

圖5顯示了不同增益設(shè)置的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)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(guān)系。

CMRR

圖6顯示了不同PGIA增益設(shè)置下的CMRR與頻率的關(guān)系圖。

圖6.CMRR 與頻率的關(guān)系。

失真

音頻精度 （APX555） 信號(hào)分析儀用于測(cè)試 PGIA 板的失真性能（圖 4），通過(guò)對(duì)各種增益設(shè)置施加各種輸入電壓，將其輸出設(shè)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(guān)系。?

圖7.PGIA總諧波失真與頻率的關(guān)系。

主要規(guī)格摘要

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

驅(qū)動(dòng)信號(hào)鏈μModule解決方案的PGIA解決方案

圖8顯示，所選多路復(fù)用器輸入后跟兩個(gè)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(luò)，以15 MSPS驅(qū)動(dòng)ADAQ23875信號(hào)鏈μModule。ADAQ23875內(nèi)置一個(gè)全差分放大器;因此，應(yīng)繞過(guò)寬帶寬分立PGIA板的FDA模塊（圖4）。音頻精度 （APx555） 信號(hào)源用于評(píng)估 SNR 和 THD，在本例中，輸入幅度設(shè)置為 –0.5 dBFS 左右。

圖8.驅(qū)動(dòng)ADAQ23875的分立PGIA的簡(jiǎn)化信號(hào)鏈。

完整的信號(hào)鏈性能

噪聲

完整信號(hào)鏈的特定輸入范圍或增益設(shè)置（圖8）的動(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)ADAQ23875的分立PGIA的SNR性能與頻率的關(guān)系如圖9所示。PGIA增益增加導(dǎo)致的整體動(dòng)態(tài)范圍或SNR下降歸因于單個(gè)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(shí)現(xiàn)超低均方根噪聲，并在寬帶寬內(nèi)檢測(cè)小幅度信號(hào)。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(hào)電平時(shí)最大化帶寬。過(guò)采樣是指采樣速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)滿(mǎn)足奈奎斯特準(zhǔn)則所需信號(hào)帶寬的兩倍。例如，對(duì)ADAQ23875進(jìn)行四倍的過(guò)采樣可提供額外的一位分辨率或動(dòng)態(tài)范圍增加6 dB，換句話(huà)說(shuō)，由于這種過(guò)采樣而改善的DR定義為：ΔDR = 10 × log10 （OSR），單位為dB。對(duì)于4.096 V基準(zhǔn)電壓源，ADAQ23875的典型動(dòng)態(tài)范圍在15 MSPS時(shí)為91 dB，其輸入短路至地。例如，當(dāng)ADAQ23875的過(guò)采樣系數(shù)為256×?xí)r，這對(duì)應(yīng)于29.297 kHz的信號(hào)帶寬和接近111 dB的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于不同的增益選項(xiàng)，可以精確檢測(cè)小幅度μV信號(hào)。可以應(yīng)用額外的過(guò)采樣來(lái)權(quán)衡噪聲和帶寬，以適應(yīng)正在執(zhí)行的測(cè)量。

圖9.SNR與頻率的關(guān)系，PGIA驅(qū)動(dòng)ADAQ23875。

失真

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

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

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

積分非線性 （INL） 和微分非線性 （DNL）

當(dāng)PGIA驅(qū)動(dòng)ADAQ23875時(shí)，保持信號(hào)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(shí)的典型INL和DNL性能。對(duì)于所有其他增益設(shè)置，INL和DNL通常保持在±0.5 LSB以?xún)?nèi)。

圖 12.驅(qū)動(dòng)ADAQ23875的PGIA（G = 2）的INL圖。

圖 13.驅(qū)動(dòng)ADAQ23875的PGIA（G = 2）的DNL圖。

結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹采用ADA4898-1放大器、ADG1209多路復(fù)用器和LT5400精密匹配電阻構(gòu)建的分立式寬帶寬PGIA的設(shè)計(jì)方面。它展示了數(shù)十毫伏至低于10 V的單端/差分信號(hào)的高精度測(cè)量，這些信號(hào)饋入16位、15 MSPS ADAQ23875信號(hào)鏈μModule解決方案。與使用市場(chǎng)上的單片PGIA相比，完整的信號(hào)鏈可提供更好的整體精度性能。這種寬帶寬信號(hào)鏈?zhǔn)菫橐唤M特定的客戶(hù)量身定制的，他們構(gòu)建了用于自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、電源監(jiān)控和分析儀的測(cè)試儀器。