基于數字可編程增益儀表放大器AD8250實現數據采集系統的設計

AD8250（G＝1、2、5或10）數字可編程增益儀表放大器（PGIA）采用最新工藝和新的電路技術以減小尺寸并且提高數據采集和過程控制應用的性能。其軟件增益控制允許設計工程師簡單地設置其精密模擬前端。AD8250通過集成匹配電阻、開關以及運算放大器，減少了器件數量。這款產品具有快速建立時間、低失真以及低噪聲，從而使其成為驅動模數轉換器（ADC）的理想放大器，而無需額外的緩存器，從而進一步減少了所需器件的數量。

數據采集系統一般與具有在1 mV～±10 V之間變化的滿量程輸出信號的各種傳感器連接。這些傳感器也具有多種輸出阻抗，因此數據采集前端必須提供高輸入阻抗以避免負載誤差。儀表放大器通常用于調理來自傳感器的差分信號。然而，由于信號大小變化較大，因此需要許多不同的增益。AD8250適合于解決數據采集系統設計工程師所面臨的四大難題， 最大程度地提高ADC的性能；提供對模擬信號調理的數字控制；占用更小的PCB面積；并且降低成本。

四大設計難題的解決

第一個難題是在不降低ADC性能的情況下提供信號調理。當今最新的ADC具有非常高的信噪比（SNR），例如16位ADC通?？商峁?0 dB的SNR。前端應提供共模抑制和增益。此外，其輸出必須在ADC的采集時間內建立。

第二個難題是設計增益可編程模擬信號調理電路。數據采集系統具有多種軟件控制功能。最方便的產品應具有數字控制模擬前端。當前，設計工程師必須設計他們自己的解決方案，因為現有的混合信號解決方案并不能提供令人滿意的模擬性能。AD8250基于ADI公司專有技術雙極性CMOS工藝的iCMOS技術，它通過在魯棒的高壓數字邏輯電路中集成精密線性器件解決該難題。AD8250允許設計工程師使用軟件設置增益。另外，不使用FPGA或微控制器設置增益的設計工程師也可以選擇將增益引腳連接到電源電壓上，電源電壓最高達+15 V。其靈活的增益設置接口允許PGIA用于不同的電路拓撲。

設計工程師面臨的第三個難題是將電路固定在更小的PCB板內。AD8250采用10引腳MSOP封裝，這種封裝面積大約是8引腳SOIC封裝的1/2，并且比現有解決方案減少了90％以上。更小的封裝面積意味著可以在PCB上放置更多的器件，從而允許設計工程師為其產品增加額外的數據通道。

第四個難題是降低成本。雖然數據采集系統設計工程師的主要目標是提高系統性能，但降低總成本也不容忽視。這些成本包括花費在產品研發上的時間和金錢到維持最終產品中的元器件總數。數據采集設計工程師通過設計可以共享同一平臺的數據采集系統以重復利用能夠工作的系統器件，從而降低器件成本。通過重復利用已有模塊，設計工程師節省了開發時間和成本。AD8250之后還有AD8251（增益為1、2、4或8）和AD8253（增益為1、10、100或1000）兩種同系列產品，這有助于解決上述難題。所有這三款產品都引腳兼容。設計工程師可以將AD8250用于需要低增益的產品，而將AD8253用于需要更高增益同時使用相同ADC和邏輯電路的其它產品。它們可以減少器件目錄成本并且通過最大程度減少所使用的不同器件數量提高購買能力。

三項主要技術

AD8250采用了三項主要技術。第一項技術是能夠達到-110 dB總諧波失真（THD）的失真消除電路。不同于為達到同樣級別THD但消耗10mA以上電流的放大器，該器件僅消耗4mA電源電流即可達到該指標。功率節省非常有用，特別對于將許多器件封裝在超小面積中而沒有風扇制冷的超小PCMCIA數據采集產品。除了低失真外，AD8250能夠在615ns內達到16位的分辨率。其20 V/μs的轉換率適合于使用多路復用器-切換通道的應用。AD8250通過使用并行端口可在小于375 ns內切換增益。

第二項技術是開關型、內部匹配并且經激光調整的電阻。在過去，設計工程師通過使用外部精密電阻和開關設計他們自己的可設置增益放大器。匹配電阻非常昂貴，每陣列花費15美元以上，但匹配電阻是維持高共模抑制（CMR）和低增益漂移所必需的。用于選擇不同增益設置電阻的開關會隨著溫度的升高而增加誤差。此外，開關會產生降低隨頻率變化的CMR的寄生電容。相比之下，AD8250集成了經激光調整的內部電阻和可以減小開關寄生電容影響的電路拓撲，從而允許其在50kHz內達到90 dB的CMR（G＝10）。該技術解決了設計PGIA的難題并且提高了性能。第三項技術改進是精心的設計使這款放大器易于使用。例如，保持帶寬在大部分增益（G＝1、2或5）內恒定不變。雖然AD8250是一款電壓反饋儀表放大器，但其為每種增益使用了傳統的內部補償電容器。因此，設計工程師希望為幾種增益維持10MHz的帶寬。

圖1：AD825X DAQ演示板的簡化原理圖。

圖1所示是AD825x DAQ演示板中AD8250的電氣原理圖。這是一個僅使用少量IC的高性能數據采集信號鏈的設計實例。ADG1209用于為AD8250增加四個差分通道。ADG1209具有低輸入電容，從而使其適合于快速多路技術。AD8250可直接驅動AD7612，這是一款750 kSPS采樣率的16位ADC。AD7612具有可以采樣±10V信號的開關電容輸入。相反，如果使用+5V ADC，由于許多工業信號是±10V，則需要降壓。ADR435可為AD7612提供參考電壓。1 nF的電容器與49.9 ？？？阻器為AD7612構成反鋸齒濾波器。49.9 Ω的串行電阻器可以減小來自放大器1 nF負載的負擔并且將其與來自AD7612開關電容器輸入影響不好的電流注入隔離。FPGA可控制ADC、PGIA和MUX。請注意所有這三種混合信號器件都基于iCMOS工藝構建。圖2所示是使用該演示板調理1kHz信號的軟件快速傅立葉變換（FFT）的結果?？傊C波失真是-111 dB，信噪比是91 dB。圖3所示是AD825X DAQ演示板的圖片。

圖2：AD825X DAQ演示板對1 kHz信號的快速傅立葉變換結果。

圖3：AD825X DAQ演示板照片。

進一步提高集成度、減小尺寸并且實現智能化的市場趨勢造就了對AD8250系列的需要。iCMOS等工藝的發展、失真消除電路等電路的改進以及對放大器應該簡化使用的理解共同推動了這種可編程增益儀表放大器的發展。

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