摘要
PGA855 是一款具有全差分输出的精密宽带宽可编程增益仪表放大器，经优化可驱动具有全差分输入的高性能模数转换器 (ADC)。PGA855 具有八种二进制增益设置（从 0.125V/V 的衰减增益到最大 16V/V），可以通过三个数字增益选择引脚进行选择。低噪声电流反馈前端架构即使在高频下也能提供出色的增益平坦度，得益于此，PGA855 是一款出色的高阻抗传感器读出器件。输入引脚上的集成保护电路可处理超出电源电压高达 ±40V 的过压。PGA855 将出色的交流性能和直流精度结合在一起，因而 PGA855 成为各种传感器的通用选择。
本应用手册展示了驱动 ADS127L11 和 ADS127L21 Δ-Σ ADC 的 PGA855 的交流性能。本文档重点介绍固有噪声、信噪比 (SNR) 和有效分辨率性能。具体而言，本应用手册提供模拟滤波器选择指南，并介绍具有不同数据速率和数字滤波器设置的 PGA855 和 ADS127Lx1 的性能。
本文档说明了采集系统的固有噪声逐步分析，并提供了一种计算器工具来估算使用不同的 ADC 数字滤波器和数据速率设置的系统性能，还显示了用于驱动 ADS127Lx1 的 PGA855 的基准测量值。
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1 PGA855 和 ADS127L21 24 位 Δ-Σ ADC 驱动器电路
工业系统中的模拟信号采集极具挑战性。传感器输出信号通常存在毫伏范围内的满量程信号，因此需要微伏范围内甚至纳伏范围内的分辨率。系统设计人员面临的挑战是优化传感器放大器前端以实现出色的信噪比性能。因此，了解并尽量减少这些噪声源至关重要。
仪表放大器 (INA) 和可编程增益仪表放大器 (PGA) 在工业采集系统中有着举足轻重的地位。这些元件提供高精度、低噪声信号调节和电平转换以及多种增益编程功能。INA 和 PGA 提供了一种高阻抗前端，并且已发展成为后端中出色的 ADC 驱动器，可提供全面的集成式信号采集设计。应用包括用于测量各种电桥、压力和温度传感器的工业模拟输入模块；数据采集卡；外科手术设备；振动分析以及电能计量/电池测试系统。
图 7-13 展示了 PGA855 驱动 ADS127Lx1 的电路示例；ADS127Lx1 是一个全差分输入、高分辨率、宽带宽的 Δ-Σ ADC。
图 1-1 PGA855 和 ADS127L21 24 位 Δ-Σ ADC 电路PGA 在驱动差分 ADC 输入时接受单端或全差分输入信号。由引脚控制的增益可将输入信号调节至 ADC 输入范围。超 β 输入晶体管提供低输入偏置电流，从而提供 0.3pA/√Hz 的超低输入电流噪声密度，因而 PGA855 成为许多传感器类型的通用选择。
PGA855 可提供独立的输入和输出电源。在本例中，±15V 输入电源用于 PGA 输入段，从而实现较宽的电压输入范围。输出级由 ADC 5V 电源供电。5V 输出级电源运行可防止在 PGA 过驱情况下 ADC 输入过载。ADC 的 VCM 输出引脚驱动 PGA855 的 VOCM 引脚，从而设置 PGA 输出的共模电压。
图 7-13 上的电路的目的是提供高水平的 SNR 和总谐波失真 (THD) 性能，以满足指定的电路带宽要求。电路的有效带宽受 PGA855 模拟前端带宽和 ADC 数字滤波器的影响。
2 PGA855 模拟前端滤波器
PGA855 模拟前端电路包含三个模拟滤波器。图 7-13 展示了 PGA855-ADS127Lx1 电路的滤波器。
图 2-1 PGA855 模拟滤波器位于 PGA 输入端的第一个模拟滤波器有助于降低电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) 高频外部噪声。此输入滤波器可根据应用带宽和抗混叠要求进行定制。
该电路示例使用电容器比值 CIN_DIFF = 10 × CIN_CM 的滤波器。为差分电容器 CIN_DIFF 与共模电容器 CIN_CM 使用 10:1 的电容器比值可提供良好的差分和共模噪声抑制。另外，此电容器比值也往往对滤波电容器的容差变化和失配不太敏感。如果选择的 CIN_DIFF 电容器值比共模电容器大 10 倍，会使差分滤波器提供的转角频率比共模滤波器转角频率低 20 倍。因此，差分信号的衰减频率低于共模信号。仪表放大器会放大差分信号并抑制共模电压信号。提供此电容器比值有助于减轻共模电容器失配造成的影响，共模电容器失配会导致将非对称噪声衰减到微小水平。通过简单的检查，推导出方程式 1 和方程式 2，用于计算转角频率：
EMI/RFI 输入滤波器差模转角频率：
EMI/RFI 输入滤波器共模转角频率：
方程式 1 提供 7.58MHz 的输入差分滤波器 f-3dB 转角频率。在测量电阻高的电桥传感器时，传感器电阻可能会影响输入滤波器的转角频率。
第二个滤波器有助于限制 PGA855 的固有噪声贡献，并用作抗混叠低通滤波器。一般而言，反馈滤波器的带宽可以根据应用带宽要求进行调整。此滤波器的实现方式是将反馈电容 CFB 与 PGA855 输出级 5kΩ 反馈电阻器并联构成一个一阶滤波器。
PGA855 电路带宽受 CFB 限制。在本例中，CFB 设置为 47pF，并与输出级 5kΩ 反馈电阻器并联，以提供 677kHz 的典型 f–3dB 转角频率。
请注意，PGA855 内部全差分放大器输出级电阻器虽然彼此之间精确地按比例匹配，以提供非常低的增益误差，但在工艺和温度变化过程中可能表现出 ±15% 的绝对电阻，并且在实施噪声滤波时，必须将此电阻变化考虑在内。考虑到内部反馈电阻器的 5kΩ ±15% 的绝对电阻变化，反馈滤波器的 f–3dB 转角频率可能会在大约 589kHz 到大约 677kHz 的范围内变化。
ADS127Lx1 输入端的第三个差分 R-C-R 滤波器有两个用途。首先，该滤波器为整个滤波器响应提供第三个极点，从而增大滤波器滚降斜率。该滤波器用作电荷库以过滤 ADC 的采样输入。电荷库减少了放大器的瞬时电荷需求，保持了低失真和低增益误差，否则会因放大器未完全稳定而降低性能。ADC 输入滤波器值为 RFIL = 47.4Ω、CDIFF = 560pF 和 CCM = 51pF。ADS127Lx1 输入预充电缓冲器可显著降低采样保持输入电荷，从而提高 ADC 输入阻抗以减小增益误差。
为了实现低失真，信号路径中的所有位置（CIN_DIFF、CIN_CM、CFB、CDIFF、CCM）都使用高等级 C0G (NP0)。在表面贴装陶瓷电容器中，C0G (NP0) 陶瓷电容器中使用的电介质类型在电压、频率和温度变化时可提供非常稳定的电气特性。
考虑了全部三个模拟滤波器的 PGA855 模拟前端电路可提供 620kHz 的标称 f–3dB 带宽。在内部 5kΩ 反馈电阻器容差的高侧，PGA855 f–3dB 带宽变为 547kHz，电路在 85kHz 范围内保持 –0.1dB 平坦度。图 2-2 展示了 TINA-TI 仿真 PGA855 交流频率响应。
图 2-2 PGA855 频率响应仿真结果3 ADS127Lx1 Δ-Σ ADC 和数字滤波器
ADS127L11 和 ADS127L21 是宽带宽、24 位、Δ-Σ ADC 系列，集出色的交流性能和直流精度于一体。这些 Δ-Σ ADC 提供可配置的数字滤波器，以针对宽带或低延迟运行进行优化，从而提高宽带交流信号性能或优化直流信号的数据吞吐量。使用宽带滤波器时，ADS127L11 支持高达 400kSPS 的数据速率，使用低延迟 (sinc4) 滤波器时，支持高达 1067kSPS 的数据速率。使用宽带滤波器时，ADS127L21 支持高达 512kSPS 的数据速率，使用低延迟 (sinc4) 滤波器时，支持高达 1365kSPS 的数据速率。除了宽带和低延迟滤波器选项之外，ADS127L21 还提供可编程无限和有限脉冲响应（IIR 和 FIR）数字滤波器来提供自定义滤波器特征。
有关可用的 ADS127L21 和 ADS127L11 数字滤波器（宽带、sinc4、sinc3、级联 sinc3 + sinc1 和级联 sinc4 + sinc1）选项、滤波器带宽规格和噪声性能的完整表，请参阅 ADS127L21 和 ADS127L11 器件数据表。
表 7-6 展示了 ADS127L21 sinc4 滤波器性能的摘录。在本例中，ADS127L21 以高速模式、过采样率、OSR = 64 运行，sinc4 滤波器提供 200kSPS 的数据速率。对于这些特定设置，这对应于 sinc4 滤波器的以输入为基准的噪声为 5.53µVRMS，f–3dB 转角频率为 45.5kHz。
| OSR | 数据速率 (kSPS) | –3dB 频率 (kHz) | ADC 噪声 (EnADC) (µVRMS) |
|---|---|---|---|
| 高速模式 (fCLK = 25.6MHz) | |||
| 12 | 1066.6 | 242.6 | 66.6 |
| 16 | 833 | 182 | 24.5 |
| 24 | 533.3 | 91.0 | 10.3 |
| 32 | 400 | 45.5 | 8.06 |
| 64 | 200 | 45.5 | 5.53 |
| 128 | 100 | 22.75 | 3.89 |
| 256 | 50 | 11.375 | 2.74 |
| 512 | 25 | 5.687 | 1.93 |
| 1024 | 12.5 | 2.844 | 1.40 |
| 2048 | 6.25 | 1.422 | 0.995 |
| 4096 | 3.125 | 0.711 | 0.709 |
4 近似 PGA855 固有噪声分析
本节说明了 PGA855 电路示例的噪声分析。该分析包括仪器放大器的固有噪声源，其中包括器件的输入电流噪声与源或传感器电阻的相互作用。
4.1 PGA855 的简化噪声模型
PGA855 架构包含高速电流反馈输入级与内部匹配的增益电阻器网络，再后接一个四电阻器全差分放大器输出级。可使用增益选择引脚 A0、A1 和 A2 来选择八个预编程的二进制增益（范围为 0.125V/V 至 16V/V）。电路中的每个放大器都有相应的放大器电压噪声和电流噪声贡献。此外，增益电阻器网络中的每个电阻器都有一个热噪声贡献要素。图 7-13 展示了 PGA855 和噪声源的功能方框图。
图 4-1 PGA855 的噪声源对于 PGA855，内部放大器的电压噪声贡献和内部增益电阻器网络的热噪声贡献集中在单个电压噪声源 eNI 中。输入级放大器电流噪声保留为独立的电流噪声源，位于 PGA855 的输入端。由于电阻器网络会因增益设置而异，因此 PGA855 数据表分别为 0.125V/V 至 16V/V 的每个增益设置提供了单独的以输入为基准 (RTI) 的电压噪声密度规格。图 7-13 展示了 PGA855 的简化噪声模型。
图 4-2 PGA855 的简化噪声模型简化的 PGA855 模型使用单级模型；其中所有噪声规格都以放大器输入为基准。输入电流噪声对于所有增益保持恒定。为了让噪声以器件输出为基准，设计人员需要将输入基准噪声乘以 PGA 增益。方程式 4 以 PGA 增益 G 的函数的形式提供了以输出为基准的噪声 eN(RTO) 的计算公式。
