直击增益范围:利用仪表放大器获得多个增益范围

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问:我有一个仪器放大器,但我需要比单一增益更宽的动态范围。我可以通过多路复用增益电阻来获得可编程增益吗?

答:为了使高精度传感器测量的动态范围最大化,可能需要一个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器(rg)来设置增益,似乎可以通过一组多路增益电阻器来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应用于系统之前,需要考虑三个主要问题:电源和信号电压限制、开关电容器和导通电阻。

保持在信号电压范围内

固态cmos开关需要电源。当源极电压或漏极电压超过电源电压时,故障电流流动,这可能导致输出不正确。每个电阻器的rg管脚处的电压通常在二极管相应输入端的压降范围内;因此,开关的信号电压范围必须大于仪表放大器的输入范围。

考虑电容

此开关电容器类似于将电容器挂在一个RG引脚上并使另一个RG引脚保持不变。足够大的电容器会引起峰值或不稳定性,但是更容易忽略的问题是对共模抑制比的影响。在电路板布局中,接地平面通常从Rg引脚下方移开,因为小于1 pF的电容器不平衡会大大降低AC CMRR。开关电容器可能为数十pF,这可能会导致较大的误差。一个具有完美CMRR,无RG,仅在一个RG引脚上只有一个电容器的仪表放大器的简单示例,该电容器估算的CMRR如下:

CMRR(f)= 20×log10(f×2π×CRG×RF)

例如,如果内部反馈电阻RF=25kΩ,CRG=10 pF,则10 kHz时的CMRR仅36 dB。这表明需要使用低电容开关或平衡开关架构,例如图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,开关的导通电阻会直接影响增益。如果导通电阻足够低以实现所需的增益,则这是可能的。但是,此开关的导通电阻随漏极电压(称为RFLAT(ON))而变化。开关电阻的变化导致增益取决于共模电压和非线性效应。例如,使用1kΩRG和10ΩRFLAT(ON)开关会在共模范围内引起1%的增益不确定性。一部分将转换为差分信号(即2?变化将导致2000 ppm的非线性)。与提出的低电容开关相反,这表明需要低导通电阻的开关,因为大型晶体管器件可以实现低导通电阻,而小型晶体管器件可以实现低电容。 ADG5412F故障保护四路单刀单掷(SPST)开关在许多情况下都提供了很好的解决方案。这些故障安全开关的架构可提供10Ω的导通电阻,非常平坦的导通电阻曲线,并且在整个信号范围内的关断电容仅为12 pF。

了解替代方法

如果这些电路仍不符合设计要求,则可以使用其他方法来实现仪表放大器的可编程增益功能。强烈建议选择一个集成的PGIA(如果适用)。集成的PGIA旨在实现比分立解决方案更高的性能,更小的尺寸,更少的寄生效应,并且规格包括内部开关效应。 AD8231,AD8250/AD8251/AD8253和LTC6915是集成式PGIA的很好示例。此外,还有更多集成解决方案,包括此功能,例如AD7124-8和ADAS3022。

结论

仪表放大器是一个高精度组件,在芯片级尽可能平衡,以实现共模抑制。固态开关的使用使构建可编程增益仪表放大器成为可能,但是这种方法也容易使仪表放大器失去独特的平衡,同时降低了电路精度。为了进行必要的权衡,有必要考虑开关的非理想影响。平衡的开关架构和现代开关(例如ADG5412F)是优化这些设计的工具。推荐使用集成式PGIA,因为它们已经考虑了规范中的开关效应。

(编辑器:DF515)

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