Home on the Range: Getting Multiple Gain Ranges With Instrumentation Amplifiers 直擊增益范圍：利用儀表放大器獲得多個增益范圍

問：

我有一個儀表放大器，但我需要更寬的動態(tài)范圍，而不是單一增益。我可以通過多路復用增益電阻來獲得可編程增益嗎？ 

答：

為了實現高精度傳感器測量動態(tài)范圍的最大化，可能需要使用可編程增益儀表放大器(PGIA)。由于大多數儀表放大器使用外部增益電阻(RG)來設置增益，似乎通過一組多路復用增益電阻就可以實現所需的可編程增益。雖然這是可能的，但在以這種方式將固態(tài)多路復用器施加于系統之前需要考慮三個主要問題：電源與信號電壓的限制、開關電容和導通電阻。

圖1.AD8421 PGIA帶有多路復用器。

保持在信號電壓范圍內

固態(tài)CMOS開關需電源供電。源電壓或漏極電壓超過電源電壓時，故障電流流過，會導致輸出不正確。每個電阻RG引腳的電壓通常處于二極管相應輸入端的壓降范圍內；因此，該開關的信號電壓范圍須大于儀表放大器的輸入范圍。

考慮電容

該開關電容類似于將電容懸于其中一個RG引腳上，并保持另一個RG引腳不變。足夠大的電容可能導致峰化或不穩(wěn)定，但更容易被忽視的問題是對共模抑制比的影響。在電路板布局中，接地層一般從Rg引腳下方移除，因為小于1 pF的電容不平衡會大大降低AC CMRR。開關電容可為幾十pF，會導致較大誤差。以具有完美CMRR的儀表放大器為簡單示例，不存在RG，僅在一個RG引腳上存在電容，由電容引起的CMRR的估算如下：

MRR(f) = –20 × log10 (f × 2π × CRG × RF)

例如，如果內部反饋電阻RF = 25 kΩ，CRG = 10 pF，則10 kHz時的CMRR僅為36 dB。這表明需要使用低電容開關或平衡開關架構，如圖2所示的SPST開關。

關于阻抗

最后，根據儀表放大器的增益公式，開關的導通電阻直接影響增益。如果導通電阻足夠低，以至于仍能實現所需增益，這或許可行。然而，此開關的導通電阻隨漏極電壓發(fā)生變化（指定為RFLAT(ON)）。開關電阻的變化使增益既依賴于共模電壓，又會產生非線性效應。例如，使用1 kΩ的RG和具有10 Ω RFLAT(ON)的開關，在共模范圍內會引起1％的增益不確定性。一部分將轉化為差分信號（即2 ?變化將會引起2000 ppm的非線性度）。這表明需要使用低導通電阻開關，與上述建議的低電容開關截然相反，因為大尺寸晶體管器件尺寸可實現低導通電阻，而小尺寸晶體管可實現低電容。ADG5412F故障保護四通道SPST開關在許多情況下提供了很好的解決方案。這些故障保護開關的架構能夠提供10 Ω的導通電阻，在整個信號范圍內，導通電阻曲線非常平坦，并且關斷電容僅為12 pF。

圖2.采用ADG5412F四通道SPST和AD8421的平衡式PGIA。

了解替代方案

如果這些電路仍不能滿足設計要求，還可以采用其他方法來實現儀表放大器的可編程增益功能。強烈建議選擇集成式PGIA（如果有合適的）。集成式PGIA旨在實現高性能、更小的尺寸，比分立解決方案的寄生效應更少，并且規(guī)格包含內部開關效應。AD8231、AD8250/AD8251/AD8253以及LTC6915便是集成式PGIA很好的例子。此外，還有一些更高集成度的解決方案包含此功能，如AD7124-8和ADAS3022。

結論

儀表放大器是在芯片級盡可能保持平衡的高精度元件，以實現共模抑制。使用固態(tài)開關的確有可能構建可編程增益儀表放大器，但是這種方式也非常容易使儀表放大器失去其特有的平衡，同時降低電路精度。為了進行必要的取舍，需要考慮開關的非理想效應。平衡開關架構和現代開關（如ADG5412F）是優(yōu)化這些設計的利器。建議使用集成式PGIA，因為它們已經在規(guī)格中考慮了開關效應。