用于數據采集的超高性能差分輸出可編程增益儀表放大器
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數據采集系統和可編程邏輯控制器(PLC)需要多功能的高性能模擬前端，以便與各種傳感器進行接口，來精確、可靠地測量信號。根據傳感器具體類型和待測電壓/電流幅度的不同，信號可能需要放大或衰減，從而匹配模數轉換器(ADC)的滿量程輸入范圍，以供進一步的數字處理和反饋控制。
數據采集系統的典型電壓測量范圍是從±0.1 V到±10 V。通過選擇正確的電壓范圍，用戶間接的更改系統增益，使模數轉換器(ADC)輸入端的采樣電壓幅度最大，進而最大程度地提高信噪比(SNR)和測量精度。在典型的數據采集系統中，需要衰減的信號與需要放大的信號分別通過不同的信號路徑進行處理，這通常導致系統設計更為復雜，需要額外的器件，并且占用更多的電路板空間。在同一信號路徑中實現衰減和放大的解決方案一般使用可編程增益放大器和可變增益放大器，但這些放大器往往不能提供許多工業(yè)和儀器儀表應用所需的高直流精度和溫度穩(wěn)定性。
有一種方法可以構建一個強大的模擬前端，以便在單一信號路徑中實現衰減和放大，并且提供差分輸出來驅動高性能模數轉換器，如圖1所示，將一個可編程增益儀表放大器(PGIA)，如AD8250（增益為1、2、5或10）、AD8251（增益為1、2、4或8）或AD8253（增益為1、10、100或1000）等，與一個全差分漏斗（衰減）放大器，如AD8475等級聯。該解決方案簡單靈活，具有高速特性，并提供出色的精度和溫度穩(wěn)定性。
上述可編程增益儀表放大器提供5.3 GΩ差分輸入阻抗和–110 dB總諧波失真(THD)，非常適合與各種傳感器接口。當增益為10時，AD8250的保證特性包括：3 MHz帶寬、18 nV/√Hz電壓噪聲、685 ns的0.001%建立時間、1.7 μV/°C失調漂移、10 ppm/°C增益漂移以及90 dB共模抑制比（DC至50 kHz）。精密直流性能與高速能力的結合，使得這些放大器非常適合具有多路復用輸入的數據采集應用。
AD8475是一款高速、集成精密電阻的全差分漏斗放大器，提供0.4或0.8倍的精密衰減、共模電平轉換、單端差分轉換及輸入過壓保護等功能。這個易于使用、完全集成的精密增益模塊采用+5 V單電源供電時，可以處理最高±10 V的信號電平。因此，它能使工業(yè)電平信號與低壓、高性能、采樣速率高達4 MSPS的16位和18位逐次逼近(SAR)型ADC的差分輸入范圍匹配。
圖1. 使用AD825x PGIA和AD8475差分輸出漏斗放大器的數據采集模擬前端
表1. AD8475與AD8250、AD8251或AD8253組合可以實現的輸入電壓范圍和增益
數據采集儀器測量范圍(V) | 峰峰值電壓(V) | 每路輸入的最大電壓(V) | 整體系統增益 | AD825x增益 | AD8475增益 | ADC輸入端的峰峰值電壓 | AD825x輸入電壓限值（保護ADC） | |
±10 | 20 | 4.096 | 0.4 | 1 | 0.4 | 8 | 10.24 | AD8250增益 |
±5 | 10 | 4.096 | 0.8 | 2 | 0.4 | 8 | 5.12 | |
±2 | 4 | 4.096 | 2 | 5 | 0.4 | 8 | 2.048 | |
±1 | 2 | 4.096 | 4 | 10 | 0.4 | 8 | 1.024 | |
±5 | 10 | 4.096 | 0.8 | 1 | 0.8 | 8 | 5.12 | |
±2.5 | 5 | 4.096 | 1.6 | 2 | 0.8 | 8 | 2.56 | |
±1 | 2 | 4.096 | 4 | 5 | 0.8 | 8 | 1.024 | |
±0.5 | 1 | 4.096 | 8 | 10 | 0.8 | 8 | 0.512 | |
±10 | 20 | 4.096 | 0.4 |
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