【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(xiàn)成的分立式組件到性能評估,以及如何節(jié)省時間和減少設計迭代次數(shù)。展示的PGIA架構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化,可以全速驅(qū)動基于高精度逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu)的ADC。本文還展示了PGIA在各種增益選項下驅(qū)動寬帶寬信號鏈的精密性能。
簡介
精密數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)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(diào)節(jié)和獲取,或者合成和驅(qū)動。硬件設計人員在開發(fā)這些數(shù)據(jù)采集信號鏈時,通常需要高輸入阻抗,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(shù)PGIA傳統(tǒng)上由單端輸出組成,該輸出不能直接全速驅(qū)動基于全差分、高精度SAR架構(gòu)的ADC,需要至少一個信號調(diào)理或驅(qū)動級放大器。隨著大家越來越注重通過系統(tǒng)軟件和應用來提供與眾不同的系統(tǒng)解決方案,整個行業(yè)不斷迅速發(fā)展變化。但是,受緊張的研發(fā)預算和上市時間限制,用于構(gòu)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(fā)資源的壓力,需要進一步減少設計迭代。本文著重介紹在設計分立式寬帶全差分PGIA時要注意的重要方面,并展示PGIA在驅(qū)動高速信號鏈μModule?數(shù)據(jù)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(guī)格和設計要求,請參見表1。
表1. PGIA設計限制和關鍵規(guī)格
這個分立式PGIA使用以下部件構(gòu)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電路選擇使用這些分立式組件來滿足表1中突出顯示的PGIA規(guī)格,用于在驅(qū)動全差分高速信號鏈μModule數(shù)據(jù)采集解決方案(例如 ADAQ23875 和 ADAQ23878)和以及ADC(例如 LTC2387-16/LTC2387-18)時實現(xiàn)優(yōu)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(qū)動基于高速SAR架構(gòu)的信號鏈μModule解決方案和實現(xiàn)優(yōu)化性能,取決于放大器和FDA的關鍵規(guī)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(qū)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,我們將在下一節(jié)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(wǎng)絡提供0.2 ppm/°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(yōu)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(xiàn)優(yōu)化的CMRR性能。
LT5400電阻網(wǎng)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(gòu)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
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(xiàn)目標增益64和128,如圖2所示。
要計算RGAIN值,請參考公式4至8。
要實現(xiàn)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(wǎng)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(shù),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(wěn)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(gòu)成一個極點,該極點將會補償反饋環(huán)路增益中寄生電容產(chǎn)生的零點的影響。應優(yōu)化Cc值,以實現(xiàn)所需的閉環(huán)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(huán)增益的頻響中會出現(xiàn)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(lián)一個反饋電容。如圖2所示,此處選擇了 ADA4898-1 數(shù)據(jù)手冊中推薦的優(yōu)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(huán)增益的增益平坦度。
圖 2. 多路復用器、LT5400 和 RGAIN 電阻設置 PGIA 增益。
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(gòu)成的PGIA前端需要使用±15 V電源來驅(qū)動,而ADA4945-1 FDA需要使用6 V和2 V電源軌來實現(xiàn)優(yōu)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,我們更推薦 LTpowerPlanner? 電源軌的樹形結(jié)構(gòu)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(huán)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8.192 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系。
圖 7. PGIA THD 與頻率的關系。
關鍵規(guī)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(guī)格,例如帶寬、擺率、漂移和失真。
表3. 獨立的PGIA的關鍵規(guī)格
驅(qū)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(wǎng)絡并聯(lián)構(gòu)成的寬帶PGIA可以驅(qū)動有15MSPS采樣速率的ADAQ23875信號鏈uModule。ADAQ23875包含內(nèi)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–0.5 dBFS。
圖 8. 驅(qū)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(tài)范圍和折合到輸入端(RTI)的噪聲,請參考表4。
表4. PGIA驅(qū)動ADAQ23875時的動態(tài)范圍和RTI噪聲
使用ADA4898-1放大器時,驅(qū)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(tài)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(jié)合,可降低噪聲并支持過采樣,以實現(xiàn)極低的RMS噪聲并在寬帶內(nèi)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(shù)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6 dB的動態(tài)范圍,換言之,由于此過采樣而實現(xiàn)的動態(tài)范圍改進定義為:ΔDR = 10 × log10 (OSR),單位dB。ADAQ23875的典型動態(tài)范圍在15 MSPS時為91 dB,對于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,這對應于29.297 kHz的信號帶寬和接近111 dB的動態(tài)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(zhí)行的測量,可以應用額外的過采樣來權(quán)衡噪聲和帶寬。
圖 9. 使用 PGIA 驅(qū)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(qū)動ADAQ23875時,信號鏈(高達100 kHz,從100 kHz至1 MHz)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(qū)動ADAQ23875,以及使用LTC6373和ADA945-1的組合在15 MSPS采樣率下驅(qū)動LTC2387-16時,兩個信號鏈的THD性能比較。
圖 10. 使用 PGIA 驅(qū)動 ADAQ23875 時,THD 與頻率的關系。
圖 11. PGIA 驅(qū)動 ADAQ23875 以及 LTC6373 + ADA4945-1 驅(qū)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(qū)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±0.5 LSB以內(nèi)。
圖 12. 驅(qū)動 ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 INL 圖。
圖 13. 驅(qū)動 ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 DNL 圖。
結(jié)論
本文介紹使用ADA4898-1放大器、ADG1209多路復用器和LT5400精密匹配電阻構(gòu)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(nèi),同時驅(qū)動16位15 MSPS采樣率的ADAQ23875信號鏈μModule的解決方案可實現(xiàn)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(gòu)建用于自動化測試設備、電源監(jiān)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(tài)范圍”。 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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