用于数据采集的超高性能差分输出可编程增益仪表放大器

作者：Reem Malik and Sandro Herrera

数据采集系统和可编程逻辑控制器 （PLC） 需要多功能高性能模拟前端，与各种传感器接口，以准确可靠地测量信号。根据传感器的特定类型以及被测电压或电流的大小，可能需要放大或衰减信号，以匹配用于进一步数字处理和反馈控制的模数转换器（ADC）的满量程输入范围。

数据采集系统中的典型电压测量范围为±0.1 V至±10 V。通过选择正确的电压范围，用户可以隐式改变系统增益，以最大化模数转换器（ADC）输入端的采样电压幅度，从而最大限度地提高信噪比（SNR）和测量精度。在典型的数据采集系统中，需要衰减的信号和需要放大的信号由不同的信号路径处理。这通常会导致更复杂的系统设计，需要额外的元件，并使用更多的电路板空间。在同一信号路径中提供衰减和放大的解决方案通常使用可编程增益放大器和可变增益放大器，但这些放大器通常不能提供许多工业和仪器仪表应用所需的高直流精度和温度稳定性。

构建功能强大的模拟前端，在单个信号路径中提供衰减和放大，以及差分输出以驱动高性能模数转换器，一种方法是级联可编程增益仪表放大器（PGIA），例如AD8250（增益为1、2、5或10）、AD8251（增益为1、2、4或8）或AD8253（增益为1， 如图10、100或1000），电路中采用全差分漏斗（衰减）放大器，如AD8475。该解决方案具有简单性、灵活性和高速性，以及出色的精度和温度稳定性。

上述可编程增益仪表放大器具有 5.3GΩ 差分输入阻抗和 –110dB 总谐波失真 （THD），非常适合与各种传感器接口。增益为10时，AD8250的保证规格包括：3 MHz带宽、18 nV/√Hz电压噪声、685 ns建立时间至0.001%、1.7 μV/°C失调漂移、10 ppm/°C增益漂移以及从直流至50 kHz的90 dB共模抑制。精密直流性能与高速相结合，使放大器非常适合具有多路复用输入的数据采集应用。

AD8475是一款高速、全差分漏斗放大器，集成精密电阻，提供0.4或0.8的精密衰减、共模电平转换、单端至差分转换和输入过压保护。这款易于使用、完全集成的精密增益模块设计用于使用+5 V单电源处理高达±10 V的信号电平。因此，它可以将工业级信号与采样速率高达4 MSPS的低压高性能16位和18位逐次逼近（SAR）ADC的差分输入电压范围相匹配。

AD825x和AD8475协同工作，如图1所示，提供灵活的高性能模拟前端。表1显示了可以实现的增益组合，具体取决于输入和输出电压范围要求。

图1.数据采集模拟前端，采用AD825x PGIA和AD8475差分输出漏斗放大器。

表 1.AAD8475与AD8250、AD8251和AD8253组合的输入电压范围和增益

数据采集仪器测量范围 （V）	峰峰值电压 （V）	每输入 ADC 最大电压 （V）	整体系统增益	AD825x 增益	AD8475 增益	ADC输入端的峰峰值电压	需要 AD825x输入电压限值（用于保护ADC）
±10	20	4.096	0.4	1	0.4	8	10.24	AD8250 增益
±5	10	4.096	0.8	2	0.4	8	5.12
±2	4	4.096	2	5	0.4	8	2.048
±1	2	4.096	4	10	0.4	8	1.024
±5	10	4.096	0.8	1	0.8	8	5.12
±2.5	5	4.096	1.6	2	0.8	8	2.56
±1	2	4.096	4	5	0.8	8	1.024
±0.5	1	4.096	8	10	0.8	8	0.512
±10	20	4.096	0.4	1	0.4	8	10.24	AD8251 增益
±5	10	4.096	0.8	2	0.4	8	5.12
±2.5	5	4.096	1.6	4	0.4	8	2.56
±1	2	4.096	3.2	8	0.4	6.4	1.28
±5	10	4.096	0.8	1	0.8	8	5.12
±2.5	5	4.096	1.6	2	0.8	8	2.56
±1	2	4.096	3.2	4	0.8	6.4	1.28
±0.5	1	4.096	6.4	8	0.8	6.4	0.64
±10	20	4.096	0.4	1	0.4	8	10.24	AD8253 增益
±1	2	4.096	4	10	0.4	8	1.024
±0.1	0.2	4.096	40	100	0.4	8	0.1024
±0.01	0.02	4.096	400	1000	0.4	8	0.01024
±5	10	4.096	0.8	1	0.8	8	5.12
±0.5	1	4.096	8	10	0.8	8	0.512
±0.05	0.1	4.096	80	100	0.8	8	0.0512
±0.005	0.01	4.096	800	1000	0.8	8	0.00512

功能：输入电压范围和带宽

采用±15 V电源供电时，AD825x系列PGIA的最大输入电压范围约为±13.5 V（AD8250和AD8251提供超出电源轨高达13 V的额外过压保护）。在本应用中，PGIA输入电压范围的有效限值由ADC输入的满量程电压范围和从传感器到ADC的信号路径增益设定。例如，AD7986 18位、2 MSPS PulSAR ADC采用2.5 V单电源供电，典型基准电压为4.096 V。其差分输入可接受高达 ±4.096 V（输入为 0 V 至 4.096 V 和 4.096 V 至 0 V）。如果模拟前端的总增益设置为0.4，AD825x的增益配置为1，AD8475的增益配置为0.4，则系统可以处理最大幅度为±10.24 V的输入信号。

要确定任何系统所需的增益设置组合，请考虑ADC（VFS）的满量程输入电压以及传感器的预期最小/最大电流或电压电平。

鉴于其精度和功能水平，该模拟前端的速度和带宽非常出色。该电路的速度和带宽能力由以下因素组合决定：

AD825x建立时间：对于10 V输出电压阶跃，AD8250在615 ns内建立至0.001%（16位）。

AD825x压摆率：AD825x的压摆速率在20 V/μs至30 V/μs之间，具体取决于增益设置。AD8475的压摆速率为50 V/μs，因此系统受AD825x压摆率的限制。

抗混叠滤波器（AAF）截止频率：此用户确定的滤波器频带可限制ADC输入端的信号，以防止混叠并改善信号链的SNR（有关详细信息，请参见放大器和ADC数据手册）。

ADC采样速率：AD8475可以驱动高达4 MSPS的18位分辨率转换器。

许多数据采集和过程控制系统测量压力、温度和其他低频输入信号，因此前端放大器的直流精度和温度稳定性对系统性能至关重要。其中许多应用包括多个传感器，这些传感器以轮询方式多路复用到放大器输入端。通常，轮询频率远大于目标信号的带宽。当多路复用器从一个传感器切换到下一个传感器时，放大器输入端看到的电压变化是未知的，因此设计必须适应最坏的情况：满量程电压阶跃。放大器必须能够在分配给开关的时间内从此满量程阶跃建立。该建立时间还需要低于ADC采样和采集信号所需的建立时间。

建议在AD8475和ADC输入之间使用抗混叠滤波器（AAF）。AAF频段限制ADC输入端的信号和噪声，以防止不良混叠效应并改善系统SNR。此外，AAF 会吸收一些 ADC 输入瞬态电流，因此滤波器还在放大器和 ADC 的开关电容输入之间提供一些隔离。通常，AAF 使用简单的 RC 网络实现，如图 1 所示。以下公式描述了滤波器带宽：

在许多情况下，滤波器的R和C值会根据经验进行优化，以便为ADC提供必要的带宽、建立时间和驱动能力。有关具体建议，请参阅 ADC 数据手册。

结论

AD8475和AD825x系列PGIA共同实现了一个简单的模拟前端，可提供高性能、功能性和灵活性。放大和衰减均可使用多种可编程增益组合，从而优化不同的测量电压范围。AD825x的性能和可编程性非常适合多路复用测量系统，AD8475为精密模数转换器提供了出色的接口。两个放大器配合良好，可保持传感器信号的完整性，作为工业测量系统的高性能模拟前端。

审核编辑：郭婷