数据收集体系（DAQ）在许多职业运用广泛，例如研讨、剖析、规划验证、制作和测验等。这些体系与各种传感器接口，然后给前端规划带来应战。有必要考虑不同传感器的灵敏度，例如，体系或许需求衔接最大输出为10 mV和灵敏度为微伏以下的负载传感器，一同还要衔接针对10 V输出而预调度的传感器。只需一个增益时，体系需求具有十分高的分辨率来检测两个输入。即便如此，在最低输入时信噪比（SNR）也会受影响。
在这些运用中，可编程增益外表放大器产品（PGIA）是合适前端的解决方案，可习惯各种传感器接口的灵敏度，一同优化SNR。集成PGIA可完成杰出的直流和沟通规范。本文评论各种集成PGIA及其优势。文中还会评论相关约束，以及为满意特定要求而构建分立PGIA时应遵从的辅导准则。
集成PGIA
ADI公司的产品系列中有许多集成PGIA。集成PGIA具有设计时间更短、尺度更小的优势。数字可调增益经过内部精细电阻阵列完成。为了优化增益、CMRR和失调，能够对这些电阻阵列进行片内调整，然后取得杰出的全体直流功用。还能够运用规划技巧来完成紧凑的IC布局，使寄生效应最小，并供给超卓的匹配，发生杰出的沟通功用。因为这些长处，假如有契合规划要求的PGIA，强烈主张挑选这样的器材。表1列出了可用的集成PGIA以及一些要害规范。
PGIA的挑选取决于运用。AD825x因为具有快速树立时刻和高压摆率，在多路复用体系中十分有用。AD8231和LTC6915选用零漂移架构，适用于需求在很宽温度规模内供给精度功用的体系。
表1.可编程增益外表放大器产品规范
表2.DAQ体系规范
还有许多器材集成多路复用器、PGIA和ADC以构成完好的DAQ解决方案。实例有ADAS3022、ADAS3023和AD7124-8。
这些解决方案的挑选首要取决于输入信号源的规范。AD7124-8针对需求极高精度的慢速运用而规划，例如温度和压力丈量。ADAS3022和ADAS3023适用于相对较高带宽的运用，例如进程操控或电力线监控，但其功耗高于AD7124-8。
完成分立PGIA
一些体系或许有一两个规范是上述集成器材无法满意的。一般，若存在以下要求，则用户需求运用分立器材构建自己的PGIA：
需求更高带宽的多路复用体系，扫描速率十分高
超低功耗
体系需求定制的增益或衰减
高阻抗传感器的低输入偏置电流
极低噪声
规划分立PGIA常用的办法之一是运用具有所需输入特性的外表放大器
，例如低噪声AD8421，并调配一个多路复用器来切换增益电阻以改动增益。
图1.AD8421和用于切换增益的多路复用器
在这种装备中，多路复用器的导通电阻实际上与增益电阻串联。该导通电阻随漏极上的电压而改动，这就带来一个问题。图2取自ADG1208数据手册，展现了这种联系。
图2.ADG1208的导通电阻与漏极电压的联系
导通电阻和增益电阻的串联组合导致增益呈现非线性差错。这意味着增益将随共模电压而改动，这是很欠好的。例如，AD8421需求1.1 kΩ的增益电阻以取得10倍增益。关于ADG1208，当源极或漏极电压改动±15 V时，导通电阻改动起伏高达40Ω，由此发生的增益非线性差错约为3%。若增益更大，该差错将变得愈加显着，导通电阻乃至或许变得与增益电阻恰当。
或许，能够运用低导通电阻的多路复用器来下降这种影响，但相应的价值是输入电容会更高。表3经过比较ADG1208和ADG1408说明晰这一点。
表3.多路复用器中导通电阻与电容的权衡
开关的输入电容会导致图1所示装备发生另一个问题，因为任何给定三引脚运放外表放大器产品上的RG引脚都对电容十分灵敏。开关电容或许导致该电路呈现峰化或不稳定。更大的问题是RG引脚上的电容不平衡导致沟通共模按捺比（CMRR）下降，而CMRR是外表放大器产品的一项要害规范。图3中的仿真图显现了AD8421的增益引脚上运用不同多路复用器时CMRR的下降状况。该图清楚地标明，跟着电容的添加，CMRR降幅更大。
图3.运用不同开关得到的仿真CMRR
为了减小沟通CMRR降幅，最好的解决方案是保证RG引脚具有相同的阻抗。这能够经过平衡电阻并将开关元件放置在两个电阻之间来完成，如图4所示。在这种状况下，因为开关两头固有的电容不平衡，多路复用器不起效果。此外，因为多路复用器的漏极短接在一同，RG引脚的一侧只能运用一个电阻，这仍然会导致不平衡。
图4.运用平衡装备的分立PGIA
在这种状况下，主张运用四通道SPST开关，例如ADG5412F。除了开关支撑灵敏地运用平衡电阻之外，漏极和源极的电容也是平衡的，CMRR降幅因而减小。图5比较了AD8421的增益引脚上运用多路复用器与运用四通道SPST开关两种状况下的沟通CMRR。
图5.SPST开关与多路复用器装备两种状况下的CMRR仿真
ADG5412F还具有低导通电阻特性，其在漏极或源极电压规模内十分平整，如图6所示。在漏极或源极电压规模内，其额定最大值为1.1Ω。回到开始的比如，AD8421的增益为10，增益电阻为1.1 kΩ，开关只会引进0.1%的增益非线性。尽管如此，仍有一个漂移重量，其在更高增益时会愈加显着。
图6.ADG5412F的导通电阻与共模电压的联系
为了消除开关的寄生电阻效应，能够运用不同架构的外表放大器来完成恣意增益。AD8420和AD8237选用直接电流反应（ICF）架构，是要求低功耗和低带宽的运用的超卓挑选。在这种装备中，开关置于高阻抗检测途径中，因而增益不受开关导通电阻改动的影响。
图7.选用直接电流反应的外表放大器产品的分立PGIA
这些放大器产品的增益是经过外部电阻的比率来设置的，设置办法与同相放大器产品相同。这就为用户供给了更大的灵敏性，因为增益设置电阻能够依据规划要求来挑选。规范薄膜或金属膜电阻的温度系数可低至15 ppm/°C，相应的增益漂移要比运用单个外部电阻设置增益的规范外表放大器产品更好，后者的片内和外部电阻之间的不匹配一般会将增益漂移约束在50 ppm/°C左右。为取得最佳增益差错和漂移功用，能够运用电阻网络进行容差和温度系数盯梢。不过，这要以献身本钱为价值，因而除非确有需求，否则应优先挑选分立电阻。
另一种解决方案，也是供给最大灵敏性的解决方案，是选用分立元件的三运放外表放大器架构，如图8所示，经过多路复用器切换增益电阻。与外表放大器比较，运算放大器可供挑选的规模要大得多，因而规划人员有更多挑选，这使他们能够环绕特定规划要求进行规划。滤波等特别功用也能够内建于榜首级中。第二级的差动放大器完善了这种架构。
图8.分立PGIA
输入放大器的挑选直接取决于DAQ要求。例如，低功耗规划需求运用低静态电流的放大器，而预期输入端会有高阻抗传感器的体系能够运用超低偏置电流的放大器来最大极限地削减差错。应运用双放大器以更好地盯梢温度。
能够留意到，当运用图8所示装备时，开关的导通电阻也与放大器的高阻抗输入串联，因而它不会影响增益。回忆导通电阻与开关输入电容之间的权衡，因为对导通电阻的约束不复存在，所以规划能够挑选低输入电容开关，例如ADG1209。这样，不稳定性和沟通CMRR下降得以防止。
与之前的规划相同，增益精度和漂移将由电阻决议。能够挑选具有恰当容差和漂移，契合运用规划要求的分立电阻。相同，运用电阻网络能够完成更高的精度、更好的容差和温度盯梢，不过本钱会添加。
三运放外表放大器的第二级担任按捺共模电压。此级主张运用集成电阻网络的差动放大器，以保证CMRR最佳。关于单端输出和相对低带宽的运用，AD8276是一个不错的挑选。假如需求差分输出和更高带宽，能够运用AD8476。第二级的另一个挑选是运用LT5400作为规范放大器周围的增益设置电阻。这或许会占用更多的电路板空间，但另一方面又给放大器的挑选供给了更大的灵敏性，用户能够环绕特定规划要求进行更多规划。
应当留意的是，分立PGIA的布局需求当心。电路板布局的任何不平衡都会导致CMRR随频率而下降。
下表总结了每种办法的优缺点：
分立PGIA规划示例
图9给出了一个针对特定规划规范而构建的分立PGIA示例。在这种规划中，所构建的PGIA应具有十分低的功耗。输入缓冲器挑选LTC2063，其电源电流很低，最大值为2μA。开关元件挑选ADG659，其电源电流很低，最大值为1μA，输入电容也很低。
挑选电路中的无源元件时也需求留意，须满意低功耗要求。无源器材挑选不妥会导致电流耗费增大，抵消运用低功耗元件的效果。在这种状况下，增益电阻需求足够大，避免耗费太多电流。所选电阻值（用来供给1、2、5和10的增益）如图9所示。
表4.可编程增益外表放大器不同完成办法的比较
图9.低功耗PGIA规划
关于第二级差动放大器，LTC2063与LT5400四通道匹配电阻网络（1 MΩ选项）一同运用。这保证了电流耗费最低，而且电阻的准确匹配维护了CMRR功用。
该电路选用5 V电源供电，并运用不同的共模电压、差分输入电压和增益进行了评价。在基准电压和输入保持在中心电源电压的最佳条件下，电路仅耗费4.8μA的电流。
差分输入改动时估计电流会有必定的添加，原因是电流会流过增益电阻，电流值等于|VOUT – VREF|/（2 MΩ||1 MΩ）。下面的图10显现了不同增益下耗费的电流。因为增益原因，数据是相关于输出端丈量。
图10.电源电流与输出电压的联系
将不同共模电压施加于输入时，电流估计也会添加。施加的电压将导致电流流过第二级中的电阻，引起额定的电流耗费，其值等于|VCM – VREF|/1 MΩ。LT5400挑选1 MΩ电阻便是专门为了尽量减小这种电流。下面的图11显现了共模电压对不同增益下的电流耗费的影响：
图11.电源电流与共模电压的联系
还丈量了关断形式下电路的静态电流。当一切器材关断时，电路仅耗费180 nA的电流。这不会改动，即便共模电压、基准电压和差分输入等变量发生改动，只需它们都保持在电源规模内即可。一切器材都有关断选项，以防需求进一步节约功耗以及用户期望断电再重启。在便携式电池供电的运用中，该电路十分有用;若非如此，运用集成PGIA是无法完成要害规范的。
定论
可编程增益外表放大器是数据收集范畴的要害器材，即便合作不同灵敏度的传感器运用，也能完成杰出的SNR功用。运用集成PGIA可缩短规划时刻，进步前端的全体直流和沟通功用。假如有契合要求的集成PGIA，规划中一般应优先运用这样的器材。可是，当体系要求的规范无法经过现有集成器材完成时，能够规划一个分立PGIA。经过遵从正确的规划主张，即便选用分立办法也能够完成最优规划，而且能够评价各种施行办法以确认详细运用的最佳装备。
作者简介：
Kristina Fortunado
KrisTIna Fortunado ［krisTIna.fortunado@analog.com］于2009年参加ADI公司，现在担任线性产品与解决方案部分的产品运用工程师。她结业于德拉萨大学，取得电子和通信工程学士学位。
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