新版經(jīng)典儀表放大器解決從傳感器到ADC的信號(hào)鏈難題

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，萬(wàn)物皆可相連，每一個(gè)需要識(shí)別和管理的物體都可以安裝傳感器實(shí)現(xiàn)智能感知物聯(lián)網(wǎng)。傳感器技術(shù)作為一種感知技術(shù)，能夠得到之前難以獲取的海量數(shù)據(jù)與信息。然而在無(wú)數(shù)的工業(yè)、汽車、儀器儀表和眾多其他應(yīng)用中，卻普遍存在一項(xiàng)挑戰(zhàn)，就是如何精準(zhǔn)地將微小的傳感器信號(hào)正確連接到ADC，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和數(shù)據(jù)采集。對(duì)此，包括ADI在內(nèi)的全球信號(hào)處理解決方案供應(yīng)商都紛紛推出各自的解決方案，試圖徹底解決工程師在連接物理世界和數(shù)字世界之間的技術(shù)挑戰(zhàn)。 

IA驅(qū)動(dòng)ADC遭遇增益缺陷 

將ADC與傳感器直接連接也是解決方案之一，甚至有些時(shí)候這種直接連接具有很大優(yōu)勢(shì)，能夠節(jié)省空間和功耗。例如，高阻比例橋可以采用內(nèi)置基準(zhǔn)的ADC，從而省去外部基準(zhǔn)。但是通常傳感器信號(hào)都很微弱，并且還可能有很高噪聲，這些都是ADC輸入所不樂(lè)見(jiàn)的。 

于是工程師們發(fā)現(xiàn)使用功能多樣的儀表放大器(IA)連接傳感器和ADC是一個(gè)有效的解決方案，因?yàn)閮x表放大器具有高精度（低失調(diào)）和低噪聲特性，不會(huì)破壞小輸入信號(hào)。其差分輸入適合于許多傳感器信號(hào)（如應(yīng)變計(jì)、壓力傳感器等），并且能夠抑制任何存在的共模信號(hào)，僅留下我們感興趣的原始小電壓，而不會(huì)留下不需要的共模信號(hào)。但是在實(shí)踐的過(guò)程中，由于各種各樣的傳感器或環(huán)境條件的限制，會(huì)讓這樣的設(shè)計(jì)存在缺陷。 

儀表放大器被選中的原因之一是具有很大的輸入阻抗，不會(huì)給傳感器帶來(lái)負(fù)載，確保脆弱的信號(hào)不受信號(hào)處理的影響。市面上的儀表放大器通常使用單個(gè)外部電阻即可提供很大的增益和可選增益范圍，可讓目標(biāo)小信號(hào)適應(yīng)遠(yuǎn)高于信號(hào)路徑噪聲電平的電壓和ADC模擬輸入（如圖）。

增益由外部電阻器RG的值來(lái)設(shè)定。要使用這類器件創(chuàng)建PGIA，只需切換RG的值即可。這種切換通常使用模擬開(kāi)關(guān)或多路復(fù)用器來(lái)完成。但是，模擬開(kāi)關(guān)的一些非理想行為讓這項(xiàng)任務(wù)變得復(fù)雜，例如： 

• 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻(RON)標(biāo)稱值及其變化會(huì)造成較大的增益誤差。

• 由于需要的開(kāi)關(guān)RON值較低，高增益值可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

• 開(kāi)關(guān)非線性會(huì)引起信號(hào)失真。這是因?yàn)樾盘?hào)電流直接流過(guò)RON，因此其值隨電壓的任何變化都會(huì)引起失真。 

創(chuàng)新架構(gòu)搞定增益難題 

全球領(lǐng)先的高性能信號(hào)處理解決方案供應(yīng)商ADI對(duì)此推出了LT6372系列產(chǎn)品，具有極高的輸入阻抗，可以與傳感器或類似信號(hào)輸入接口，并提供大增益(LT6372-1)或低衰減(LT6372-0.2)而不會(huì)引起負(fù)載效應(yīng)，同時(shí)其低失真和低噪聲可確保精確轉(zhuǎn)換而不會(huì)降低性能，支持16位和更低分辨率ADC以高達(dá)150 kSPS的速率運(yùn)行。 

如圖2所示，因?yàn)镽G,F和RG,S引腳是單獨(dú)引出的，在這個(gè)原理圖中，惠斯登電橋（由R5至R8組成）產(chǎn)生的信號(hào)被放大，提供4個(gè)可能的增益值，用戶可根據(jù)選擇的SW1開(kāi)關(guān)位置進(jìn)行選擇。利用 LT6372 系列引腳排列，我們可以創(chuàng)建一個(gè)PGIA以通過(guò)改變RF/RG比來(lái)獲得所需的增益值。

此外，作為增益誤差源的U1、U2模擬開(kāi)關(guān)RON被降至最低，因?yàn)樗梢耘c輸入級(jí)反相端口及其反饋電阻串聯(lián)。這樣配置之后，RON只占內(nèi)部12.1 kΩ反饋電阻總量的一小部分，因此對(duì)增益誤差和漂移幾乎沒(méi)有影響。同樣，由于RON值只占總反饋電阻的一小部分，其值隨電壓的變化幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響，因此開(kāi)關(guān)非線性引起的失真可降至最低。此外，此器件的輸入級(jí)由電流反饋放大器(CFA)架構(gòu)組成，與傳統(tǒng)的電壓反饋放大器相比，它本身在增益變化時(shí)所允許的帶寬或速度變化較小。上述所有這些因素綜合在一起，讓我們能夠使用低成本外部模擬開(kāi)關(guān)，創(chuàng)建具有精密增益步進(jìn)的精密PGIA。 

圖3所示為PGIA的簡(jiǎn)化圖，展示了梯形電阻的不同抽頭（由總共8個(gè)模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，每次短接2個(gè)來(lái)設(shè)置增益）如何配置電路。在此圖中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)組由四種可能的增益值之一來(lái)描述；–RG,S和+RG,S引腳短接至RF3/RF4結(jié)。

分離基準(zhǔn)與內(nèi)置輸出箝位配置 

對(duì)于大多數(shù)ADC而言，REF2與ADC VREF電壓相連才能確保ADC模擬輸入中間電平為VREF/2。然而許多被選作ADC驅(qū)動(dòng)器的放大器需使用額外的基準(zhǔn)電壓源和其他外部電路才能將信號(hào)直接有效地平移到ADC FS電壓范圍內(nèi)，這在一定程度上增加了設(shè)計(jì)的成本與復(fù)雜性。而LT6372系列采用分離基準(zhǔn)配置（在圖4中顯示為分開(kāi)的RF1和RF2引腳），簡(jiǎn)化了放大器輸出到ADC輸入范圍中心的電平轉(zhuǎn)換。

不僅如此，LT6372系列還內(nèi)置輸出箝位（CLHI和CLLO）確保ADC的敏感輸入不會(huì)受到正向或負(fù)向瞬變的破壞或可能的損害。該系列支持無(wú)失真的輸出擺幅達(dá)到箝位電壓，并能夠快速響應(yīng)和恢復(fù)，從而在可能的瞬變觸發(fā)任一箝位之后保護(hù)ADC并使之迅速恢復(fù)正常工作。