精密數據采集子系統(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、調節(jié)和獲取，或者合成和驅動。硬件設計人員在開發(fā)這些數據采集信號鏈時，一般需要高輸入阻抗，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PGIA傳統(tǒng)上由單端輸出組成，該輸出不能直接全速驅動基于全差分、高精度SAR架構的ADC，需要至少一個信號調理或驅動級放大器。隨著人們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。本文將介紹在設計分立式寬帶全差分PGIA時要注意的關鍵事項，并展示PGIA在驅動高速信號鏈μModule®數據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。

圖1.簡化的PGIA電路框圖

表1.PGIA設計限制和關鍵規(guī)格

這個分立式PGIA使用以下部件構建：

ADA4898-1低噪聲高速放大器

LT5400四通道匹配電阻網絡，用作增益和反饋電阻，用于設置PGIA增益

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電路選擇使用上述分立式組件來滿足表1中突出顯示的PGIA規(guī)格，用于在驅動全差分高速信號鏈μModule數據采集解決方案（例如ADAQ23875和ADAQ23878）和以及ADC（例如LTC2387-16/LTC2387-18）時實現優(yōu)化的交流和直流性能。

設計技巧和組件選擇

這款寬帶分立式PGIA解決方案能否驅動基于高速SAR架構的信號鏈μModule解決方案和實現優(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，下面來詳細討論。

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。LT5400四通道電阻網絡提供0.2ppm/°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，以實現優(yōu)化的CMRR性能。

LT5400電阻網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?？梢允褂脝挝辉鲆媾渲玫姆糯笃鱽砼月稟DG1209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目標增益64和128，如圖2所示。

圖2.多路復用器、LT5400和RGAIN電阻設置PGIA增益

要計算RGAIN值，請參考公式4至8。

要實現所需的增益，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，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生的零點的影響。應優(yōu)化Cc值，以實現所需的閉環(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一個反饋電容。如圖2所示，此處選擇了ADA4898-1數據手冊中推薦的優(yōu)化Cc值2.7pF。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。

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多路復用器構成的PGIA前端需要使用±15V電源來驅動，而ADA4945-1 FDA需要使用6V和2V電源軌來實現優(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，ADI更推薦LTpowerPlanner®電源軌的樹形結構設計，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8.192V 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

驅動信號鏈的PGIAμModule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精密電阻網絡并聯構成的寬帶PGIA可以驅動有15MSPS采樣速率的ADAQ23875信號鏈uModule。ADAQ23875包含內部全差分放大器；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-0.5dBFS。

圖8.驅動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驅動ADAQ23875時的動態(tài)范圍和RTI噪聲

使用ADA4898-1放大器時，驅動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合，可降低噪聲并支持過采樣，以實現極低的RMS噪聲并在寬帶內檢測小幅度信號。換句話說，對快速瞬變和小信號電平進行數字化處理時，15MSPS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6dB的動態(tài)范圍，換言之，由于此過采樣而實現的動態(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15MSPS時為91dB，對于4.096V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29.297kHz的信號帶寬和接近111dB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衡噪聲和帶寬。

圖9.使用PGIA驅動ADAQ23875時，SNR與頻率的關系。

失真

圖10和圖11顯示使用分立式PGIA驅動ADAQ23875時，信號鏈（高達100kHz，從100kHz至1MHz）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驅動ADAQ23875，以及使用LTC6373和ADA945-1的組合在15MSPS采樣率下驅動LTC2387-16時，兩個信號鏈的THD性能比較。

圖10.使用PGIA驅動ADAQ23875時，THD與頻率的關系。

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

圖12.驅動ADAQ23875的PGIA (G=2)的INL圖

圖13.驅動ADAQ23875的PGIA (G = 2)的DNL圖

積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)

使用PGIA驅動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±0.5LSB以內。

結論

本文介紹了使用ADA4898-1放大器、ADG1209多路復用器和LT5400精密匹配電阻構建分立式寬帶寬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，同時驅動16位15MSPS采樣率的 ADAQ23875信號鏈μModule的解決方案可實現高精度測量。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，旨在構建用于自動化測試設備、電源監(jiān)控和分析儀的測試儀表。