问:

 

我有一个仪表放大器,但我需要更宽的动态范围,而不是单一增益。我可以通过多路复用增益电阻来获得可编程增益吗?

 

答:

 

为了实现高精度传感器测量动态范围的最大化,可能需要使用可编程增益仪表放大器(PGIA)。由于大多数仪表放大器使用外部增益电阻(RG)来设置增益,似乎通过一组多路复用增益电阻就可以实现所需的可编程增益。虽然这是可能的,但在以这种方式将固态多路复用器施加于系统之前需要考虑三个主要问题:电源与信号电压的限制、开关电容和导通电阻。

 

图 1.AD8421 PGIA 带有多路复用器。

 

保持在信号电压范围内

固态 CMOS 开关需电源供电。源电压或漏极电压超过电源电压时,故障电流流过,会导致输出不正确。每个电阻 RG 引脚的电压通常处于二极管相应输入端的压降范围内;因此,该开关的信号电压范围须大于仪表放大器的输入范围。

 

考虑电容

该开关电容类似于将电容悬于其中一个 RG 引脚上,并保持另一个 RG 引脚不变。足够大的电容可能导致峰化或不稳定,但更容易被忽视的问题是对共模抑制比的影响。在电路板布局中,接地层一般从 Rg 引脚下方移除,因为小于 1 pF 的电容不平衡会大大降低 AC CMRR。开关电容可为几十 pF,会导致较大误差。以具有完美 CMRR 的仪表放大器为简单示例,不存在 RG,仅在一个 RG 引脚上存在电容,由电容引起的 CMRR 的估算如下:

 

CMRR(f) = –20 × log10 (f × 2π × CRG × RF)

 

例如,如果内部反馈电阻 RF = 25 kΩ,CRG = 10 pF,则 10 kHz 时的 CMRR 仅为 36 dB。这表明需要使用低电容开关或平衡开关架构,如图 2 所示的 SPST 开关。

 

关于阻抗

最后,根据仪表放大器的增益公式,开关的导通电阻直接影响增益。如果导通电阻足够低,以至于仍能实现所需增益,这或许可行。然而,此开关的导通电阻随漏极电压发生变化(指定为 RFLAT(ON))。开关电阻的变化使增益既依赖于共模电压,又会产生非线性效应。例如,使用 1 kΩ的 RG 和具有 10 Ω RFLAT(ON)的开关,在共模范围内会引起 1%的增益不确定性。一部分将转化为差分信号(即 2 Ω变化将会引起 2000 ppm 的非线性度)。这表明需要使用低导通电阻开关,与上述建议的低电容开关截然相反,因为大尺寸晶体管器件尺寸可实现低导通电阻,而小尺寸晶体管可实现低电容。ADG5412F 故障保护四通道 SPST 开关在许多情况下提供了很好的解决方案。这些故障保护开关的架构能够提供 10 Ω的导通电阻,在整个信号范围内,导通电阻曲线非常平坦,并且关断电容仅为 12 pF。

 

图 2. 采用 ADG5412F 四通道 SPST 和 AD8421 的平衡式 PGIA。

 

了解替代方案

如果这些电路仍不能满足设计要求,还可以采用其他方法来实现仪表放大器的可编程增益功能。强烈建议选择集成式 PGIA(如果有合适的)。集成式 PGIA 旨在实现高性能、更小的尺寸,比分立解决方案的寄生效应更少,并且规格包含内部开关效应。AD8231、AD8250/AD8251/AD8253 以及 LTC6915 便是集成式 PGIA 很好的例子。此外,还有一些更高集成度的解决方案包含此功能,如 AD7124-8 和 ADAS3022。

 

结论

仪表放大器是在芯片级尽可能保持平衡的高精度元件,以实现共模抑制。使用固态开关的确有可能构建可编程增益仪表放大器,但是这种方式也非常容易使仪表放大器失去其特有的平衡,同时降低电路精度。为了进行必要的取舍,需要考虑开关的非理想效应。平衡开关架构和现代开关(如 ADG5412F)是优化这些设计的利器。建议使用集成式 PGIA,因为它们已经在规格中考虑了开关效应。