作者：Miguel Usach Merino and Gerard Mora Puchalt

獲得專利的ADI電容可編程增益放大器（PGA）提供優(yōu)于傳統(tǒng)阻性PGA的性能，包括模擬輸入信號(hào)的更高共模電壓抑制。

本文介紹斬波電容放大器的工作原理，重點(diǎn)介紹當(dāng)來自傳感器的小信號(hào)需要在靠近電源軌的地方放大時(shí)，例如在溫度測(cè)量（RTD或熱電偶）和惠斯通電橋中，這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）廣泛用于具有小響應(yīng)度和低帶寬的傳感器的應(yīng)用，例如應(yīng)變計(jì)或熱敏電阻，因?yàn)檫@種架構(gòu)提供了高動(dòng)態(tài)范圍。高動(dòng)態(tài)范圍背后的原因是與其他ADC架構(gòu)相比，噪聲性能較低。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的工作原理基于兩個(gè)原理：過采樣和噪聲整形。當(dāng)ADC對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，與采樣頻率無關(guān)的量化噪聲會(huì)在整個(gè)頻譜中傳播到采樣頻率的一半。因此，如果輸入信號(hào)的采樣頻率遠(yuǎn)高于奈奎斯特定理規(guī)定的最小頻率，則目標(biāo)頻帶中的量化噪聲會(huì)降低。

圖1顯示了不同采樣頻率的量化噪聲密度示例。

圖1.不同采樣頻率隨頻率變化的量化噪聲密度。

一般來說，對(duì)于給定的目標(biāo)頻段，過采樣因子每為2，動(dòng)態(tài)范圍就會(huì)提高3 dB（假設(shè)白噪聲頻譜）。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是噪聲傳遞函數(shù)。如圖2所示，它將噪聲整形到更高的頻率，從而進(jìn)一步降低了目標(biāo)頻段的量化噪聲。

圖2.Σ-Δ噪聲整形。

此外，Σ-Δ可以集成數(shù)字濾波器，以消除目標(biāo)頻帶之外的量化噪聲，相當(dāng)于出色的動(dòng)態(tài)范圍性能，如圖3所示。

圖3.LPF后的量化噪聲。

輸入緩沖器

過采樣架構(gòu)的缺點(diǎn)之一是，與在較低采樣頻率下工作的其他架構(gòu)相比，驅(qū)動(dòng)Σ-Δ調(diào)制器的輸入緩沖器的要求可能會(huì)變得更加嚴(yán)格。采集時(shí)間變短，因此緩沖器需要更高的帶寬。現(xiàn)代Σ-Δ轉(zhuǎn)換器在片上集成了輸入緩沖器，以最大限度地提高易用性。

此外，在傳感系統(tǒng)中，為傳感元件提供非常高的高精度輸入阻抗對(duì)于測(cè)量精度至關(guān)重要。這使得對(duì)輸入緩沖器的要求更加重要。

集成輸入緩沖器會(huì)產(chǎn)生其他挑戰(zhàn)。Σ-Δ調(diào)制器在低頻時(shí)具有非常低的噪聲，但輸入緩沖器等任何其他組件都會(huì)增加熱噪聲，更重要的是，在低頻時(shí)會(huì)增加閃爍噪聲，如圖4所示。

圖4.閃爍噪音。

此外，緩沖器的偏移可能會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)誤差。失調(diào)可以通過系統(tǒng)校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償，但如果失調(diào)漂移相對(duì)較高，這種方法可能變得不切實(shí)際，因?yàn)樗竺看喂ぷ鳒囟茸兓瘯r(shí)重新校準(zhǔn)系統(tǒng)以補(bǔ)償緩沖失調(diào)貢獻(xiàn)。

例如，當(dāng)失調(diào)漂移為500 nV/°C時(shí)，10°C的溫度增量將相當(dāng)于5 μV失調(diào)變化，在±2.5 VREF 24位ADC中，相當(dāng)于16.8 LSB，約為4位。

解決這兩個(gè)問題的典型方法是斬波緩沖器的輸入和輸出，如圖5所示。

圖5.斬波放大器。

通過斬波輸入，輸入頻率被調(diào)制到更高的頻率。緩沖失調(diào)和閃爍噪聲保持在原來的低頻，因?yàn)樗鼈儾皇茌斎霐夭ǖ挠绊憽?/p>

輸出斬波器機(jī)制將輸入頻率解調(diào)回基帶，同時(shí)將緩沖器增加的失調(diào)和閃爍噪聲調(diào)制至更高的頻率，這些頻率將由ADC低通濾波器消除。

在某些情況下，輸入緩沖器被基于電阻的儀表放大器（阻性PGA）取代，以在整個(gè)調(diào)制器輸入范圍內(nèi)容納小傳感器信號(hào)，從而最大化動(dòng)態(tài)范圍。請(qǐng)注意，由于分立傳感器需要更高的輸入阻抗，因此基于電阻的儀表放大器優(yōu)于差分電阻放大器。阻性PGA實(shí)現(xiàn)了類似的斬波方案，如圖6所示。

圖6.電阻式PGA。

阻性PGA可能需要第二組級(jí)聯(lián)連接的緩沖器，因?yàn)榉糯笃骺赡軣o法提供足夠的帶寬來直接驅(qū)動(dòng)調(diào)制器。同時(shí)，電流消耗應(yīng)保持在較低水平，這決定了電阻的值，從而決定了放大器的帶寬。

使用這種放大器拓?fù)涞闹饕拗剖枪材ｋ妷旱南拗疲貏e是增益不是1，因?yàn)樽栊訮GA具有取決于輸入信號(hào)的浮動(dòng)共模，如圖6所示。

此外，阻性網(wǎng)絡(luò)失配及其漂移也是整體誤差預(yù)算中的一個(gè)問題，因?yàn)樗赡軙?huì)影響大多數(shù)精密規(guī)格。

為了避免這些限制，最近的ADI Σ-Δ轉(zhuǎn)換器采用了容性PGA。

電容式PGA放大原理與阻性PGA相似;增益取決于電容比，如圖7所示。

圖7.電容式PGA（為清楚起見，已刪除某些塊）。

為了放大直流信號(hào)，電容PGA在PGA輸入端引入斬波機(jī)制，將直流輸入信號(hào)調(diào)制到斬波頻率，然后由容性放大器放大。最后，信號(hào)通過輸出斬波器解調(diào)回直流。此外，放大器失調(diào)和閃爍噪聲被調(diào)制到斬波頻率，并在稍后階段進(jìn)行低通濾波。

與阻性架構(gòu)相比，這種電容式架構(gòu)有一些優(yōu)點(diǎn)：

它提供了更好的噪聲與功率權(quán)衡，因?yàn)樗脑肼曉锤佟Ｅc電阻相比，需要的放大器更少，電容不會(huì)產(chǎn)生噪聲。

與電阻器相比，電容器具有廣泛的優(yōu)勢(shì)。除了無噪音外，它們不會(huì)受到自發(fā)熱的影響，并且通常提供更好的匹配和溫度漂移。這對(duì)失調(diào)、增益誤差和漂移規(guī)格有積極影響。

電容將輸入共模與信號(hào)鏈共模的其余部分去耦。這在CMRR、PSRR和THD方面具有優(yōu)勢(shì)。

最強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)之一是容性PGA輸入共模范圍可以是軌到軌甚至更高。這樣就可以將傳感器共模電壓偏置到從正電源軌到負(fù)電源軌的幾乎任何地方。

這種電容式架構(gòu)結(jié)合了儀表放大器的優(yōu)點(diǎn)，由于其輸入是電容器，因此它具有非常高的輸入阻抗。與作為增益元件的電阻相比，電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是放大器的動(dòng)態(tài)范圍增加，不僅在信號(hào)擺幅方面，而且在噪聲效率方面。

克服阻性PGA共模限制的常見解決方案是增加或移動(dòng)電源軌，或者將傳感器信號(hào)共模重新居中。這是以更高的功耗、電源設(shè)計(jì)復(fù)雜性、額外的外部元件和成本為代價(jià)的。

實(shí)例

在惠斯通電橋中，共模電壓由連接在每個(gè)支路中的阻抗定義，并與施加的電源成正比。由于應(yīng)變計(jì)中的線性檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，電子秤應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了這種檢測(cè)拓?fù)洌瑘D8顯示了II型半橋。

圖8.惠斯通拓?fù)渲袔?yīng)變計(jì)的稱重秤。

應(yīng)變計(jì)的靈敏度通常為2 mV/V。惠斯通供應(yīng)量越高，獲得的靈敏度就越高。為了增加應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍并最大化SNR，電橋的供電電源可能高于ADC。

在阻性PGA中，由于其共模限制，電橋應(yīng)以與ADC電源相同的電源電壓供電，以最大化動(dòng)態(tài)范圍，而在容性PGA中，電橋的供電幾乎是ADC電源電壓的兩倍，因?yàn)闆]有輸入共模限制。

例如，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電源電平并以3.3 V電壓為ADC供電，則在相同選定增益下，容性PGA優(yōu)于阻性PGA的改進(jìn)可總結(jié)為表1。

表 1.假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電源和增益的惠斯通電橋中阻性和電容性PGA的比較

另一個(gè)可能的問題是，當(dāng)電橋與ADC保持一定距離時(shí)，接地之間的電位差。這可能會(huì)改變共模電壓，使ADC輸入共模相對(duì)于電橋不平衡，并降低阻性PGA中的最大允許增益。

將容性PGA性能與阻性PGA相匹配的一種可能方法是在更高的電源電壓下為電橋供電。例如，使用雙極性電源（±3.3 V）為電橋供電，以提高應(yīng)變計(jì)的靈敏度，但會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性和功耗。

另一個(gè)可以從電容式PGA中受益的例子是使用電阻溫度檢測(cè)器（RTD）或熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。

常用的RTD電阻（如PT100）可用于直接或間接檢測(cè)熱電偶冷端的溫度，如圖9所示。

圖9.典型的熱電偶設(shè)置。

PT100 為每個(gè)元件提供不同的導(dǎo)線，是最受歡迎和最具成本效益的 3 線配置。

圖10提出了一種在消除導(dǎo)聯(lián)誤差的同時(shí)測(cè)量溫度的傳統(tǒng)方法。在本例中，帶PGA的Σ-Δ型ADCAD7124-8的內(nèi)部電流源以相同的電流驅(qū)動(dòng)RTD的兩根導(dǎo)線，從而在兩根引線上產(chǎn)生相等且與引線電阻成比例的失調(diào)誤差。

由于引線電阻值小，AD7174-8提供的電流將自發(fā)熱效應(yīng)降至最低，RL3中產(chǎn)生的失調(diào)電壓接近負(fù)供電軌，大大降低了阻性PGA的最大允許增益，因?yàn)槠漭斎牍材Ｒ矊⒎浅＝咏╇娷墸娙軵GA則在內(nèi)部將共模電壓設(shè)置為電源軌的一半， 允許更高的增益配置，從而增加整體動(dòng)態(tài)范圍。

所提出的解決方案顯著降低了系統(tǒng)和硬件連接的復(fù)雜性，因?yàn)榈谌娎|不應(yīng)返回到ADC PCB，并且可以連接到RTD位置附近的地。

圖 10.3線RTD測(cè)量。

為了提高溫度測(cè)量的精度，首選4線測(cè)量。在這種情況下，僅使用一個(gè)電流基準(zhǔn)。為了避免電流源的不精確性，可以使用比例測(cè)量和精密電阻作為ADC基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，如圖11所示。

圖 11.比率式 4 線 RTD 測(cè)量。

選擇外部精密電阻的值，使RTD兩端產(chǎn)生的最大電壓等于基準(zhǔn)電壓除以PGA增益。

對(duì)于3.3 V電源，在阻性PGA中，精密電阻上產(chǎn)生的電壓應(yīng)在1.65 V左右，否則PGA共模電壓將限制最大增益。結(jié)果是最大增益信號(hào)應(yīng)等于1.65 V。在容性PGA中，沒有輸入共模限制，因此，RTD共模信號(hào)可以靠近頂軌，從而使精密電阻產(chǎn)生的ADC基準(zhǔn)電壓最大化，從而可以最大化最高的可選增益和動(dòng)態(tài)范圍。

表2總結(jié)了阻性PGA相對(duì)于容性PGA的最大增益，最大電流源為500 μA，以限制Pt100自發(fā)熱，假設(shè)B類RTD，最高溫度為600°C，最大VREF為2.5 V。

表 2.4線RTD比率測(cè)量中阻性和電容性PGA的比較

結(jié)論

與阻性PGA相比，電容式PGA具有許多重要優(yōu)勢(shì)。由于作為增益元件的電容器固有的溫度穩(wěn)定性和匹配特性，噪聲、共模抑制、失調(diào)、增益誤差和溫度漂移等關(guān)鍵規(guī)格得到了改善。

另一個(gè)關(guān)鍵特性是輸入共模電壓與放大器內(nèi)部共模電壓的去耦。當(dāng)要放大的輸入信號(hào)位于接近供電軌的共模電壓上時(shí)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。阻性PGA選擇增益將受到其共模限制的嚴(yán)重限制，或者需要更高的電源軌或外部元件將輸入信號(hào)重新偏置到電源軌的一半。相反，電容式PGA可以輕松處理這種傳感場(chǎng)景。

審核編輯：郭婷