問題:

我手上有個儀表放大器,若需要達到比單一增益元件還要寬的動態範圍,能否藉由多工(multiplex)增益電阻來對增益進行編程?

答覆:

要在精準感測器量測中達到最大的動態範圍,必須用到可編程增益儀表放大器(PGIA)。由於大多數儀表放大器(in-amps)會用一個外部增益電阻(RG)來設定增益,因此從表面上看來就像是透過一組多工增益電阻來設定想要的增益。這種方法雖然確實可行,但在使用固態多工器藉由這種方法建置系統之前,應該先考量三大因素:電源與訊號的限制、開關電容以及導通電阻。

20190103_ADI_TA01P1 圖1:AD8421 PGIA 與多工器

維持在訊號範圍

固態CMOS切換開關會連接到一個電源,一旦汲極電壓高過電源電壓,便會出現故障電流並造成不正確的輸出。傳到RG針腳的電壓通常會落在相對應輸入的二極體電壓降範圍內;因此切換開關的訊號電壓範圍必須大於儀表放大器的輸入範圍。

考量電容

切換開關電容的作用類似將某個電容連到其中一個RG針腳,而暫時斷開和其他RG 針腳的連結。一個容量夠大的電容可能造成尖峰(peaking)或不穩的狀況,但大家更會忽略的問題,則是對共模拒斥比所造成的影響。在電路板佈線方面,業界一般的作法都會移除RG 針腳底下的接地面(ground plane),因為不到1 pF的電容不平衡就會讓交流共模拒斥比大幅降低。切換開關電容大多在數十皮法拉,但就足以造成可觀的誤差。在一個具有完美共模拒斥比的儀表放大器中,沒有RG且電容只有出現在其中一個RG 針腳,因此因電容導致的共模拒斥比可以約略計算為:

20190103_ADI_TA01P2

舉例來說,如果內部回授電阻RF = 25kΩ,且CRG = 10pF,那麼在10kHz下共模拒斥比僅有36dB。這顯示應採用低電容開關或如圖2所示的平衡開關架構以及單軸單切(SRST)切換開關。

關於電阻

根據儀表放大器的增益公式,切換開關的導通電阻會直接影響增益。如果導通電阻夠低,而且仍能達到想要的增益,那就沒有問題。不過開關的電阻會隨著汲極電壓一起改變,亦即RFLAT(ON)。切換開關電阻的變化會造成增益對共模電壓的相依性,以及增益非線性的效應。舉例來說,使用一個1kΩ的RG以及一個有10Ω RFLAT(ON)電阻的切換開關,那麼在共模範圍內就會有1%的增益不確定性。只要部份的不確定性就會形成差動訊號(舉例來說,2Ω的變化就會造成2000ppm的非線性)。這意謂應使用低導通電阻開關,但這又和低電容開關相違背,因為低導通電阻必須動用大體積的電晶體元件,而低電容卻必須用小體積的電晶體才能辦到。

例如,ADG5412F這款具備故障保護機制的四重單軸單切(SPST)切換開關元件在許多情境中提供理想的解決方案。這些故障保護切換開關的架構讓它們能提供10Ω 的導通電阻,在訊號範圍內維持極平坦的表現,而且關斷電容(off capacitance)僅有12pF。

20190103_ADI_TA01P3 圖2:運用ADG5412F quad SPST 與AD8421元件組建平衡PGIA

認可與替代方案

如果這些電路無法達到設計要求,還有其他方法能建置可編程增益儀表放大器功能。若有一種方法適用,我們強烈建議選用整合式PGIA。整合式PGIA針對高效能打造,除了元件本身的底面積相近,寄生效應比分立式解決方案來得少,其產品規格中也都列出內部切換開關會產生的各種效應。這類整合式PGIA的例子包括 AD8231、/AD8251/AD8253、以及LTC6915等。

總結

儀表放大器屬於高精準元件,在矽晶層級就盡可能達到平衡,藉以拒斥共模效應。雖然可以運用固態切換開關組建出可編程的增益儀表放大器,但這樣做也很容易打破儀表放大器的平衡狀態,以致損及電路的精準度。因此必須考量到切換開關種種不理想的效應,才能將各種取捨因素納入考量。平衡的切換開關架構以及如ADG5412F這類現代化切換開關元件,是優化這類設計的理想工具。建議採用整合式可編程儀表放大器(PGIA),這些元件的規格中都有詳列文中提及的各種效應。