本文介紹了分立式寬帶可編程增益儀表放大器（PGIA）的設(shè)計，包括組件選擇、增益設(shè)置、電源設(shè)計以及性能評估，旨在幫助硬件設(shè)計人員構(gòu)建高性能的精密信號鏈。
如何為寬帶的精密信號鏈設(shè)計可編程增益儀表放大器:*附件：how-to-design-a-programmable-gain-instrumentation-amplifier_cn.pdf

1. PGIA 設(shè)計概述

   • 設(shè)計目標與規(guī)格 ：用于精密數(shù)據(jù)采集，需高輸入阻抗，適應(yīng)多種信號，可編程增益，具備特定輸出共模、差分輸出、帶寬、噪聲、失調(diào)電壓漂移和共模抑制比（CMRR）等要求，以驅(qū)動高速信號鏈 μModule 數(shù)據(jù)采集解決方案。

   組件選擇 ：各組件特性滿足整體帶寬、增益設(shè)置和性能要求。

   • ADA4898 - 1 低噪聲高速放大器
   • LT5400 四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)
   • ADG1209 低電容 iCMOS?多路復(fù)用器和
   • ADA4945 - 1 寬帶全差分放大器（FDA）構(gòu)建 PGIA 電路

2. PGIA 設(shè)計要點

   • 設(shè)置 PGIA 增益
     • 選擇增益和反饋電阻 ：LT5400 電阻網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置放大器增益，通過不同電阻配置實現(xiàn)多種增益選項，高增益時需在放大器反相輸入端添加外部精密匹配增益電阻，同時要確保增益電阻和反饋電阻精確匹配以優(yōu)化 CMRR 性能。
     • 選擇多路復(fù)用器 ：ADG1209 多路復(fù)用器用于控制 PGIA 增益，其導(dǎo)通電阻、電容等參數(shù)影響性能，添加補償電容可減小增益頻響高頻尖峰，提高穩(wěn)定性，優(yōu)化閉環(huán)響應(yīng)，避免因反饋電阻和放大器輸入電容導(dǎo)致的問題。
   • PGIA 電源設(shè)計 ：PGIA 前端需 ±15V 電源，ADA4945 - 1 FDA 需 6V 和 - 2V 電源軌，推薦 LTpowerPlanner? 電源軌樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計，展示了各電源軌負載電流。

3. PGIA 性能評估

   • 關(guān)鍵規(guī)格測試 ：帶寬隨增益增大而降低，折合到輸出端（RTO）噪聲增大，信噪比（SNR）降低；CMRR 在不同增益下有相應(yīng)表現(xiàn)；通過 Audio Precision?（APX555）信號分析儀測試不同增益和輸入電壓下的總諧波失真（THD）性能。
   • 驅(qū)動信號鏈性能
     • 噪聲與動態(tài)范圍 ：驅(qū)動 ADAQ23875 時，不同增益下輸入范圍、動態(tài)范圍和折合到輸入端（RTI）噪聲不同，隨著 PGIA 增益增大，動態(tài)范圍或 SNR 因各組件噪聲而降低，ADAQ23875 的高采樣速率可通過過采樣降低噪聲、提高動態(tài)范圍，精確檢測小信號。
     • 失真與非線性 ：隨著 PGIA 增益和輸入信號頻率增大，THD 逐漸下降，同時保持了信號鏈整體直流精度，在特定增益下，積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）性能良好。
       

綜上所述，該分立式寬帶 PGIA 設(shè)計在滿足特定客戶群需求的同時，提供了高精度測量和整體精密性能，適用于自動化測試設(shè)備、電源監(jiān)控和分析儀等領(lǐng)域。

PGIA 設(shè)計的性能評估指標涵蓋了帶寬、CMRR、噪聲、失真、動態(tài)范圍以及非線性等多個方面，這些指標全面反映了 PGIA 在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，對于評估其在精密信號鏈中的適用性至關(guān)重要。

1. 帶寬 ：隨著 PGIA 增益從 2 增大到 128，帶寬會降低，影響信號傳輸?shù)念l率范圍。
2. CMRR（共模抑制比） ：不同增益設(shè)置下，CMRR 與頻率的關(guān)系體現(xiàn)了其對共模信號的抑制能力。
3. 噪聲
   • 折合到輸出端（RTO）噪聲 ：增益增大時，RTO 噪聲增大，影響信噪比（SNR）。
   • 折合到輸入端（RTI）噪聲 ：驅(qū)動 ADAQ23875 時，不同增益下 RTI 噪聲不同，影響小信號檢測能力。
4. 失真
   • 總諧波失真（THD） ：通過 Audio Precision?（APX555）信號分析儀測試不同增益和輸入電壓下的 THD 與頻率性能關(guān)系，反映信號失真程度。
   • 隨著 PGIA 增益和輸入信號頻率增大，THD 逐漸下降 ：體現(xiàn)了放大器特性對失真的影響。
5. 動態(tài)范圍 ：驅(qū)動 ADAQ23875 時，不同增益下輸入范圍和動態(tài)范圍不同，反映了可處理信號幅度的變化范圍。
6. 非線性
   • 積分非線性（INL）和差分非線性（DNL） ：在驅(qū)動 ADAQ23875 時，特定增益下的 INL 和 DNL 性能體現(xiàn)了信號鏈的直流精度。
   • 對于所有其他增益設(shè)置，INL 和 DNL 一般都保持在 ±0.5 LSB 以內(nèi) ：表明整體直流精度良好。