為寬頻的精密訊號鏈設計可編程增益儀表放大器

作者 : Maithil Pachchigar & John Neeko Garlitos，ADI

最佳化的PGIA架構有助於全速驅動基於高精度逐次逼近暫存器(SAR)架構的ADC，並展現PGIA在各種增益選項下驅動寬頻寬訊號鏈的精密性能。

簡介

精密數據擷取子系統通常由高性能的離散式線性訊號鏈模組組成，用於測量和保護、調節和擷取，或者合成和驅動。硬體設計人員在開發這些資料擷取訊號鏈時，通常需要高輸入阻抗，以直接連接多種感測器。在此情況下，通常需要利用可編程增益使電路適應不同的輸入訊號幅度——單極性或雙極性和單端或差分訊號，具有可變共模電壓。大多數PGIA傳統上由單端輸出組成，該輸出不能直接全速驅動基於全差分、高精度SAR架構的ADC，需要至少一個訊號處理或驅動級放大器。

隨著大家越來越注重透過系統軟體和應用來提供與眾不同的系統解決方案，整個產業不斷迅速發展變化。但是，受緊縮的研發預算和上市時間限制，用於建構類比電路並製作原型來驗證其功能的時間也越來越少。如此就增加了硬體開發資源的壓力，需要進一步減少設計反覆運算。本文著重介紹在設計離散式寬頻全差分PGIA時要注意的重要方面，並展示PGIA在驅動高速訊號鏈μModule數據擷取解決方案時的精密性能。

PGIA設計描述

圖1顯示離散式寬頻全差分PGIA簡化電路的架構圖。有關此PGIA電路的關鍵規格和設計要求，請參見表1。

表1：PGIA設計限制和關鍵規格

這個離散式PGIA使用低雜訊高速放大器、低雜訊高速放大器、低電容iCMOS多工器(用於控制PGIA增益)以及寬頻全差分放大器(FDA)等元件建構。

此款寬頻PGIA電路選擇使用這些離散式元件來滿足表1中突顯的PGIA規格，用於在驅動全差分高速訊號鏈μModule數據擷取解決方案和以及ADC時實現最佳化的交流和直流性能。

圖 1：簡化的 PGIA電路架構圖。

設計技巧和組件選擇

此款寬頻離散式PGIA解決方案能否驅動基於高速SAR架構的訊號鏈μModule解決方案和實現最佳化性能，取決於放大器和FDA的關鍵規格(例如頻寬、擺率、雜訊和失真)。設定PGIA增益的標準取決於所選的放大器、回饋電阻和多工器。

設定PGIA增益

選擇增益和回饋電阻

放大器的增益電阻和回饋電阻應該精準匹配。LT5400四通道電阻網路提供0.2 ppm/°C的匹配漂移和0.01%的電阻匹配，工作溫度範圍很寬，共模抑制比(CMRR)優於獨立匹配電阻。FDA周圍的增益電阻也需要精準匹配，以實現最佳化的CMRR性能。

LT5400電阻網路用於設定放大器的增益。增益計算如公式1至公式3所示。

使用LT5400時，透過設定R1 = R4和R2 = R3，增益為：

放大器的增益和FDA(固定增益為2)構成了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多工器，所以在本例中，總PGIA設定為2。

表2：LT5400電阻選項和等效增益

要將增益設定為高於20，需要在兩個ADA4898-1放大器的反相輸入端之間增加一個外部精密匹配的增益電阻(R_GAIN)，並使用LT5400-4作為回饋電阻來實現目標增益64和128，如圖2所示。

要計算R_GAIN值，請參考公式4至8。

要實現所需的增益，R_GAIN的值應為：

 

選擇多工器

使用多工器，透過選擇LT5400四通道電阻網路可控制該PGIA電路的多個增益。為這個寬頻離散式PGIA設計選擇多工器時，應考慮多工器的多個重要參數，例如導通電阻(R_ON)、導通電容(C_ON)和關斷電容(C_OFF)。在這個寬頻PGIA設計中，建議使用ADG1209多工器。在放大器的回饋路徑中增加補償電容(Cc)，會盡可能減小增益頻響的高頻尖峰(提高放大器的穩定性)，並降低多工器導通/關斷電容的影響。Cc與R_ON、回饋電阻和增益電阻會構成一個極點，該極點將會補償回饋迴路增益中寄生電容產生的零點的影響。應最佳化Cc值，以實現所需的閉回路響應。

當ADA4898-1電路中使用更高的回饋電阻值時，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)，在閉迴路增益的頻響中會出現更高的尖峰。為了避免這個問題，在ADA4898-1中一個更高的回饋電阻需要並聯一個回饋電容。如圖2所示，此處選擇了 ADA4898-1 產品手冊中推薦的最佳化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，則會影響閉迴路增益的增益平坦度。

圖 2：多工器、LT5400 和 R_GAIN 電阻設定 PGIA 增益。

PGIA電源

圖3顯示用於評估該離散式寬頻寬PGIA設計性能的評估板。

圖 3：離散式寬頻寬 PGIA 評估板。

由兩個高速ADA4898-1放大器和一個ADG1209多工器構成的PGIA前端需要使用±15 V電源來驅動，而ADA4945-1 FDA需要使用6V和2V電源軌來實現最佳化訊號鏈性能。雖然此板需要使用桌上型電源供應器，但是針對該PGIA電路，我們更推薦 LTpowerPlanner電源軌的樹形結構設計，其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

頻寬

圖5顯示在不同的增益設定下，閉迴路增益與頻率的關係圖。當PGIA增益從2增大到128，其頻寬會降低，而其折合到輸出端(RTO)的雜訊會增大；因此，訊號雜訊 (SNR)會降低。

圖 5：頻寬與頻率的關係。

CMRR

圖6顯示在不同的PGIA增益設定下，CMRR與頻率的關係圖。

圖 6：CMRR 與頻率的關係。

失真

Audio Precision (APX555)訊號分析儀用於測試PGIA板(圖4)的失真性能，透過對不同的增益設定施加不同的輸入電壓，將其輸出設定為8.192 V p-p。圖7顯示離散式寬頻PGIA的總諧波失真(THD)與頻率性能之間的關係。

圖 7：PGIA THD 與頻率的關係。

關鍵規格匯總

表3列出了使用離散式PGIA評估板(圖4)在測試台上測得的關鍵PGIA規格，例如頻寬、擺率、漂移和失真。

表3：獨立的PGIA的關鍵規格。

驅動訊號鏈的PGIA μModule解決方案

圖8顯示選定的多工器作為兩個低雜訊、高速放大器ADA4898-1的增益輸入端與LT5400精密電阻網路並聯構成的寬頻PGIA可以驅動有15MSPS採樣速率的ADAQ23875訊號鏈uModule。ADAQ23875包含內部全差分放大器；因此，應旁路寬頻離散式PGIA評估板(圖4)中的FDA模組。Audio Precision (APx555)訊號源用於評估SNR和THD，在本例中，輸入幅度設定為約–0.5dBFS。

圖 8：驅動 ADAQ23875 的離散式 PGIA 的簡化訊號鏈。

完整訊號鏈性能

雜訊

有關完整訊號鏈(圖8)在特定輸入範圍或增益設定下的動態範圍和折合到輸入端(RTI)的雜訊，請參考表4。

表4：PGIA驅動ADAQ23875時的動態範圍和RTI雜訊。

使用ADA4898-1放大器時，驅動ADAQ23875的離散式PGIA的SNR性能與頻率的關係圖如圖9所示。PGIA增益增大時，整個動態範圍或SNR會降低，這是由於單個電阻、放大器和μModule解決方案本身的雜訊引起的。

ADAQ23878高精度性能與高採樣速率相結合，可降低雜訊並支援過採樣以實現極低的RMS雜訊，並在寬頻內檢測小幅度訊號。換句話說，對快速瞬變和小訊號位準進行數位化處理時，15MSPS的採樣速率大幅放寬了抗混疊濾波器要求並充分提高頻寬。過採樣是指以比兩倍訊號頻寬(滿足奈奎斯特標準所必需)更快的速度進行採樣。例如，對ADAQ23875進行4倍過採樣可額外提供1位元解析度，或增加6dB的動態範圍，換言之，由於此過採樣而實現的動態範圍改善定義為：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，單位dB。

ADAQ23875的典型動態範圍在15 MSPS時為91dB，對於4.096 V基準電壓源，其輸入對地短路。例如，當ADAQ23875進行256倍過採樣時，這對應於29.297 kHz的訊號頻寬和接近111dB的動態範圍(對於不同的增益選項)，因此可以精準檢測出μV級別的小訊號。為了適應所執行的測量，可以應用額外的過採樣來權衡雜訊和頻寬。

圖 9：使用 PGIA 驅動 ADAQ23875 時，SNR 與頻率的關係。

失真

圖10和圖11顯示使用離散式PGIA驅動ADAQ23875時，訊號鏈(高達100kHz，從100kHz至1MHz)的THD性能。由於ADA4898-1的頻寬和擺率開始下降，THD會隨著PGIA增益和輸入訊號頻率增大而逐漸下降。圖11並顯示了使用PGIA驅動ADAQ23875，以及使用LTC6373和ADA945-1的組合在15MSPS取樣速率下驅動LTC2387-16時，兩個訊號鏈的THD性能比較。

圖 10：使用 PGIA 驅動 ADAQ23875 時，THD 與頻率的關係。

圖 11：PGIA 驅動 ADAQ23875 以及 LTC6373 + ADA4945-1 驅動 LTC2387-16 時，THD 訊號鏈的性能比較。

積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)

使用PGIA驅動ADAQ23875時，必須保持訊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。對於所有其他增益設定，INL和DNL一般都保持在±0.5 LSB以內。

圖 12：驅動 ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 INL 圖。

圖 13：驅動 ADAQ23875 的 PGIA (G = 2) 的 DNL 圖。

結論

本文介紹使用ADA4898-1放大器、ADG1209多工器和LT5400精密匹配電阻建構離散式寬頻寬PGIA的設計。在幾十mV到10V的單端/差分訊號輸入範圍內，該設計同時驅動16位元15MSPS取樣速率的ADAQ23875訊號鏈μModule解決方案可實現高精度測量。相較於使用市面上可用的單片式PGIA，完整訊號鏈可提供更高的整體精密性能。此款寬頻寬訊號鏈專為特定客戶群而客製化，目的在建構用於自動化測試設備、電源監控和分析儀的測試儀表。

本文作者：

Maithil Pachchigar，ADI系統應用工程師
John Neeko Garlitos，ADI產品應用工程師