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
数据采集系统和可编程逻辑控制器(PLC)需要多功能的高性能模拟前端，以便与各种传感器进行接口，来精确、可靠地测量信号。根据传感器具体类型和待测电压/电流幅度的不同，信号可能需要放大或衰减，从而匹配模数转换器(ADC)的满量程输入范围，以供进一步的数字处理和反馈控制。
 
AD8250（增益为1、2、5或10）、AD8251（增益为1、2、4或8）或AD8253（增益为1、10、100或1000）等，与一个全差分漏斗（衰减）放大器，如AD8475等级联。该解决方案简单灵活，具有高速特性，并提供出色的精度和温度稳定性。
 
上述可编程增益仪表放大器提供5.3 GΩ差分输入阻抗和–110 dB总谐波失真(THD)，非常适合与各种传感器接口。当增益为10时，AD8250的保证特性包括：3 MHz带宽、18 nV/√Hz电压噪声、685 ns的0.001%建立时间、1.7 μV/°C失调漂移、10 ppm/°C增益漂移以及90 dB共模抑制比（DC至50 kHz）。精密直流性能与高速能力的结合，使得这些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、集成精密电阻的全差分漏斗放大器，提供0.4或0.8倍的精密衰减、共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。这个易于使用、完全集成的精密增益模块采用+5 V单电源供电时，可以处理最高±10 V的信号电平。因此，它能使工业电平信号与低压、高性能、采样速率高达4 MSPS的16位和18位逐次逼近(SAR)型ADC的差分输入范围匹配。
 
如图1所示，AD825x和AD8475配合工作，构成一个灵活的高性能模拟前端。表1列出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. 使用AD825x PGIA和AD8475差分输出漏斗放大器的数据采集模拟前端
 
表1. AD8475与AD8250、AD8251或AD8253组合可以实现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)
每路输入的最大电压(V)
整体系统增益
AD825x增益
AD8475增益
ADC输入端的峰峰值电压
AD825x输入电压限值（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
能力：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提供最高超过电源轨13 V的额外过压保护）。在本应用中，对PGIA输入电压范围的有效限制由ADC输入的满量程电压范围和从传感器到ADC的信号路径增益设置。例如，18位2 MSPS PulSAR ADC AD7986采用2.5 V单电源供电，典型基准电压为4.096 V，其差分输入支持最高±4.096 V的电压（输入电压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，即AD825x的增益为1，AD8475的增益为0.4，则系统可以处理的输入信号最大幅度为±10.24 V。
 
为了确定系统所需的增益设置组合，应考虑ADC (VFS)的满量程输入电压以及传感器预计会提供的最小/最大电流或电压电平。
 
 
就其精度和功能水平而言，该模拟前端的速度和带宽极为出色。该电路的速度和带宽由下列因素共同决定：
  • AD825x建立时间：对于10 V输出电压跃迁，AD8250的0.001%（16位）建立时间为615 ns。
  • AD825x压摆率：AD825x的压摆率在20 V/µs到30 V/µs之间，具体取决于增益设置。AD8475的压摆率为50 V/µs，因此系统受限于AD825x的压摆率。
  • 抗混叠滤波器(AAF)截止频率：该滤波器由用户定义，用于限制ADC输入端的信号带宽，防止混叠，并提高信号链的信噪比（详情参阅放大器和ADC的数据手册）。
  • ADC采样速率：AD8475可以驱动最高4 MSPS的18位分辨率转换器。
许多数据采集和过程控制系统需要测量压力、温度和其它低频输入信号，因此前端放大器的直流精度和温度稳定性对于系统性能至关重要。许多应用使用多个传感器，这些传感器以轮询方式多路复用连接到放大器输入端。通常而言，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另一个传感器时，放大器输入端经历的电压变化是未知的，因此设计必须考虑最差情况——满量程电压跃迁。放大器必须能够在所分配的切换时间内从该满量程跃迁完成建立，该建立时间还必须短于ADC采集信号所需的建立时间。
 
在AD8475与ADC输入端之间，建议使用一个抗混叠滤波器(AAF)，以便对提供给ADC输入端的信号和噪声带宽进行限制，防止不需要的混叠效应，并提高系统的信噪比。此外，AAF能够吸收一些ADC输入瞬变电流，因此该滤波器也能在放大器与ADC的开关电容输入端之间提供某种隔离。AAF通常利用简单的RC网络实现，如图1中所示。滤波器带宽通过下式计算：
 
 
许多情况下，该滤波器的R和C值根据经验进行优化，以便为ADC提供必需的带宽、建立时间和驱动能力。如需具体建议，请参阅ADC数据手册。

结束语

AD8475与AD825x系列PGIA相结合，可实现一种简单灵活、高性能、多功能的模拟前端。针对信号放大和衰减处理，该模拟前端可以提供多种可编程的增益组合，从而优化不同的测量电压范围。AD825x的性能和可编程能力非常适合多路复用型测量系统，AD8475则能提供出色的接口来连接精密模数转换器。两种放大器协调工作以保持传感器信号的完整性，为工业测量系统提供一个高性能模拟前端。
 
有关AD8475用作精密逐次逼近型ADC驱动器的更多信息，请参阅电路笔记CN-0180：用于工业级信号的精密、低功耗、单电源、全集成差分ADC驱动器。
 
作者简介

Reem Malik [reem.malik@analog.com]是马萨诸塞州威明顿市集成放大器产品（IAP）部门的一名应用工程师。她为仪器仪表、工业及医疗领域的顾客提供支持，并负责热电偶放大器和精密差动/差分放大器产品。Reem拥有伍斯特理工学院电气工程学士学位(BSEE)和电气工程硕士学位(MSEE)。她于2008年6月加入ADI公司。

Sandro Herrera [sandro.herrera@analog.com]是马萨诸塞州威明顿市集成放大器产品（IAP）部门的一名电路设计工程师。他目前主要从事固定、可变或可编程增益的全差分放大器设计工作。Sandro拥有麻省理工学院电气工程学士学位(BSEE)和电气工程硕士学位(MSEE)。他于2005年8月加入ADI公司。

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