Scott Hunt

為了在精密傳感器測量中最大化動態范圍，可能需要使用可編程增益儀表放大器（PGIA）。因為大多數儀表放大器（儀表放大器）使用外部增益電阻（RG）來設置增益，似乎可以使用一組多路復用增益電阻來實現所需的編程增益。雖然這是可能的，但在以這種方式使用固態多路復用器實現系統之前，需要考慮三個主要問題：電源和信號電壓限制、開關電容和導通電阻。

圖1.AD8421 PGIA，內置多路復用器。

保持在信號范圍內

固態CMOS開關需要電源。當源極或漏極電壓超過電源電壓時，故障電流可能會流動并導致輸出不正確。每個R處的電壓G引腳通常位于相應輸入端電壓的二極管壓降內;因此，開關的信號電壓范圍必須大于儀表放大器的輸入范圍。

考慮電容

開關電容類似于將電容器掛在其中一個R上G引腳并離開另一個 RG單獨別針。足夠大的電容可能會導致峰值或不穩定，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，接地層通常從R下方移除G引腳，因為電容不平衡小于1 pF會大大降低交流CMRR。開關電容可達數十皮法，導致誤差較大。采用具有完美CMRR的儀表放大器的簡單案例，沒有RG存在，電容僅為 1 RG引腳，由于電容引起的CMRR可以近似為：

例如，如果內部反饋電阻，RF = 25 kΩ，而CRG= 10 pF，10 kHz 時的 CMRR 僅為 36 dB。建議使用低電容開關或平衡開關架構，如圖2所示，采用單刀單刀單擲開關。

關于抵抗

最后，開關的導通電阻根據儀表放大器的增益公式直接影響增益。如果導通電阻足夠低，仍然可以實現所需的增益，這可能沒問題。但是，開關的導通電阻隨漏極電壓而變化，指定為 R-平坦（開）.開關電阻的變化既會產生增益對共模電壓的依賴性，又會產生增益非線性效應。例如，使用 RG1 kΩ 和 10 Ω R 的開關平坦（開），在共模范圍內將有1%的增益不確定性。其中一部分將轉換為差分信號（例如，2 Ω的變化將是2000 ppm的非線性）。這表明使用低導通電阻開關，這與低電容開關的建議相反，因為大晶體管器件尺寸可實現低導通電阻，而小晶體管可實現低電容。ADG5412F故障保護、四通道SPST開關在許多情況下都能提供良好的解決方案。這些故障保護開關的架構允許它們提供 10 Ω 導通電阻，在整個信號范圍內非常平坦，關斷電容僅為 12 pF。

圖2.平衡PGIA，采用ADG5412F四通道單刀單刀單擲器和AD8421。

確認替代方案

如果這些電路不符合設計要求，還有其他方法可以實現可編程增益儀表放大器功能。如果有合適的綜合PGIA，強烈建議選擇集成PGIA。與分立式解決方案相比，集成PGIA專為高性能而設計，具有更小的尺寸和更少的寄生效應，規格包括內部開關的影響。集成PGIA的一些很好的例子是AD8231、AD8250/AD8251/AD8253和LTC6915。此外，還有一些集成度更高的解決方案包含此功能，例如AD7124-8和ADAS3022。

結論

儀表放大器是高精度元件，在硅級盡可能平衡，以抑制共模。使用固態開關可以構建可編程增益儀表放大器，但也很容易擺脫定義儀表放大器的平衡并降低電路精度。需要考慮開關的非理想影響，以便做出必要的權衡。平衡開關架構和ADG5412F等現代開關是優化這些設計的絕佳工具。建議使用集成PGIA，因為規格中已經包含開關的影響。

審核編輯：郭婷