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作者：ADI系统应用工程师Maithil Pachchigar和ADI产品应用工程师John Neeko Garlitos

精密数据采集子系统通常由高性能的分立式线性信号链模块组成，用于测量和保护、调节和获取，或者合成和驱动。硬件设计人员在开发这些数据采集信号链时，一般需要高输入阻抗，以直接连接多种传感器。在这种情况下，通常需要利用可编程增益使电路适应不同的输入信号幅度——单极性或双极性和单端或差分信号，具有可变共模电压。大多数PGIA传统上由单端输出组成，该输出不能直接全速驱动基于全差分、高精度SAR架构的ADC，需要至少一个信号调理或驱动级放大器。随着人们越来越注重通过系统软件和应用来提供与众不同的系统解决方案，整个行业不断迅速发展变化。但是，受紧张的研发预算和上市时间限制，用于构建模拟电路并制作原型来验证其功能的时间也越来越少。这样就增加了硬件开发资源的压力，需要进一步减少设计迭代。本文将介绍在设计分立式宽带全差分PGIA时要注意的关键事项，并展示PGIA在驱动高速信号链μModule^®数据采集解决方案时的精密性能。

PGIA设计描述

图1显示分立式宽带全差分PGIA简化电路的框图。有关此PGIA电路的关键规格和设计要求，请参见表1。

图1.简化的PGIA电路框图

表1.PGIA设计限制和关键规格

这个分立式PGIA使用以下部件构建：

►ADA4898-1低噪声高速放大器

►LT5400四通道匹配电阻网络，用作增益和反馈电阻，用于设置PGIA增益

►ADG1209低电容iCMOS™多路复用器，用于控制PGIA增益

►ADA4945-1宽带全差分放大器(FDA)

这款宽带PGIA电路选择使用上述分立式组件来满足表1中突出显示的PGIA规格，用于在驱动全差分高速信号链μModule数据采集解决方案（例如ADAQ23875和ADAQ23878）和以及ADC（例如LTC2387-16/LTC2387-18）时实现优化的交流和直流性能。

设计技巧和组件选择

这款宽带分立式PGIA解决方案能否驱动基于高速SAR架构的信号链μModule解决方案和实现优化性能，取决于放大器和FDA的关键规格（例如带宽、摆率、噪声和失真）。选择ADA4898-1和ADA4945-1是因为其增益带宽积(GBW)支持该信号链的总体带宽要求。只有驱动ADC（例如LTC2387-16/LTC2387-18）时，才需要使用ADA4945-1(FDA)。设置PGIA增益的标准取决于所选的放大器、反馈电阻和多路复用器，下面来详细讨论。

设置PGIA增益

• 选择增益和反馈电阻

放大器的增益电阻和反馈电阻应该精确匹配。LT5400四通道电阻网络提供0.2ppm/°C的匹配漂移和0.01%的电阻匹配，工作温度范围很宽，共模抑制比(CMRR)优于独立匹配电阻。FDA周围的增益电阻也需要精准匹配，以实现优化的CMRR性能。

LT5400电阻网络用于设置放大器的增益。增益计算如公式1至公式3所示。

使用LT5400时，通过设置R1=R4和R2=R3，增益为：

放大器的增益和FDA（固定增益为2）构成了PGIA的总增益，如表2所示。

LT5400系列提供多种电阻选项，如表2所示。可以使用单位增益配置的放大器来旁路ADG1209多路复用器，所以在本例中，总PGIA设置为2。

表2.LT5400电阻选项和等效增益

要将增益设置为高于20，需要在两个ADA4898-1放大器的反相输入端之间添加一个外部精密匹配的增益电阻(R_GAIN)，并使用LT5400-4作为反馈电阻来实现目标增益64和128，如图2所示。

图2.多路复用器、LT5400和R_GAIN电阻设置PGIA增益

要计算R_GAIN值，请参考公式4至8。

要实现所需的增益，R_GAIN的值应为：

• 选择多路复用器

使用多路复用器，通过选择LT5400四通道电阻网络可控制该PGIA电路的多个增益。为这个宽带分立式PGIA设计选择多路复用器时，应考虑多路复用器的多个重要参数，例如导通电阻(R_ON)、导通电容(C_ON)和关断电容(C_OFF)。在这个宽带PGIA设计中，建议使用ADG1209多路复用器。在放大器的反馈路径中添加补偿电容(Cc)，会尽可能减小增益频响的高频尖峰（提高放大器的稳定性），并降低多路复用器导通/关断电容的影响。Cc与R_ON、反馈电阻和增益电阻会构成一个极点，该极点将会补偿反馈环路增益中寄生电容产生的零点的影响。应优化Cc值，以实现所需的闭环响应。当ADA4898-1电路中使用更高的反馈电阻值时，因为其高输入电容（ADA4898-1的输入共模电容为2.5pF，差模电容为3.2pF），在闭环增益的频响中会出现更高的尖峰。为了避免这个问题，在ADA4898-1中一个更高的反馈电阻需要并联一个反馈电容。如图2所示，此处选择了ADA4898-1数据手册中推荐的优化Cc值2.7pF。使用更小的Cc时，使增益频响的尖峰更高，但是如果使用的Cc过大，则会影响闭环增益的增益平坦度。

PGIA电源

图3显示用于评估该分立式宽带宽PGIA设计性能的评估板。

图3.分立式宽带宽PGIA评估板

由两个高速ADA4898-1放大器和一个ADG1209多路复用器构成的PGIA前端需要使用±15V电源来驱动，而ADA4945-1 FDA需要使用6V和2V电源轨来实现优化信号链性能。虽然此板需要使用台式电源，但是针对该PGIA电路，ADI更推荐LTpowerPlanner^®电源轨的树形结构设计，它同样展示了每个电源轨的负载电流，可参考图4。

图4.推荐的电源树

PGIA性能

• 带宽

图5显示在不同的增益设置下，闭环增益与频率的关系图。当PGIA增益从2增大到128，其带宽会降低，而其折合到输出端(RTO)的噪声会增大；因此，信噪比(SNR)会降低。

图5.带宽与频率的关系

• CMRR

图6显示在不同的PGIA增益设置下，CMRR与频率的关系图。

图6.CMRR与频率的关系

• 失真

Audio Precision^® (APX555)信号分析仪用于测试PGIA板（图4）的失真性能，通过对不同的增益设置施加不同的输入电压，将其输出设置为8.192V p-p。图7显示分立式宽带PGIA的总谐波失真(THD)与频率性能之间的关系。

图7.PGIA THD与频率的关系

• 关键规格汇总

表3列出了使用分立式PGIA评估板（图4）在测试台上测得的关键PGIA规格，例如带宽、摆率、漂移和失真。

表3.独立的PGIA的关键规格

驱动信号链的PGIA μModule解决方案

图8显示选定的多路复用器作为两个低噪声、高速放大器ADA4898-1的增益输入端与LT5400精密电阻网络并联构成的宽带PGIA可以驱动有15MSPS采样速率的ADAQ23875信号链uModule。ADAQ23875包含内部全差分放大器；因此，应旁路宽带分立式PGIA评估板（图4）中的FDA模块。Audio Precision (APx555)信号源用于评估SNR和THD，在本例中，输入幅度设置为约-0.5dBFS。

图8.驱动ADAQ23875的分立式PGIA的简化信号链

完整信号链性能

• 噪声

有关完整信号链（图8）在特定输入范围或增益设置下的动态范围和折合到输入端(RTI)的噪声，请参考表4。

表4.PGIA驱动ADAQ23875时的动态范围和RTI噪声

使用ADA4898-1放大器时，驱动ADAQ23875的分立式PGIA的SNR性能与频率的关系图如图9所示。PGIA增益增大时，整个动态范围或SNR会降低，这是由于单个电阻、放大器和μModule解决方案本身的噪声引起的。

ADAQ23878的高精度性能与高采样速率相结合，可降低噪声并支持过采样，以实现极低的RMS噪声并在宽带内检测小幅度信号。换句话说，对快速瞬变和小信号电平进行数字化处理时，15MSPS的采样速率大大放宽了抗混叠滤波器要求并充分提高了带宽。过采样是指以比两倍信号带宽（满足奈奎斯特标准所必需）快得多的速度进行采样。例如，对ADAQ23875进行4倍过采样可额外提供1位分辨率，或增加6dB的动态范围，换言之，由于此过采样而实现的动态范围改进定义为：ΔDR = 10 × log10 (OSR)，单位dB。ADAQ23875的典型动态范围在15MSPS时为91dB，对于4.096V基准电压源，其输入对地短路。例如，当ADAQ23875进行256倍过采样时，这对应于29.297kHz的信号带宽和接近111dB的动态范围（对于不同的增益选项），因此可以精确检测出μV级别的小信号。为了适应所执行的测量，可以应用额外的过采样来权衡噪声和带宽。

图9.使用PGIA驱动ADAQ23875时，SNR与频率的关系。

• 失真

图10和图11显示使用分立式PGIA驱动ADAQ23875时，信号链（高达100kHz，从100kHz至1MHz）的THD性能。由于ADA4898-1的带宽和摆率开始下降，THD会随着PGIA增益和输入信号频率增大而逐渐下降。图11还显示了使用PGIA驱动ADAQ23875，以及使用LTC6373和ADA945-1的组合在15MSPS采样率下驱动LTC2387-16时，两个信号链的THD性能比较。

图10.使用PGIA驱动ADAQ23875时，THD与频率的关系。

图11.PGIA驱动ADAQ23875以及LTC6373 + ADA4945-1驱动LTC2387-16时，THD信号链的性能比较。

图12.驱动ADAQ23875的PGIA (G=2)的INL图

图13.驱动ADAQ23875的PGIA (G = 2)的DNL图

• 积分非线性(INL)和差分非线性(DNL)

使用PGIA驱动ADAQ23875时，必须保持信号链的整体直流精度，这一点也很重要。图12和图13显示PGIA增益为2时，典型的INL和DNL性能。对于所有其他增益设置，INL和DNL一般都保持在±0.5LSB以内。

结论

本文介绍了使用ADA4898-1放大器、ADG1209多路复用器和LT5400精密匹配电阻构建分立式宽带宽PGIA的设计。该设计在几十毫伏到10V的单端/差分信号输入范围内，同时驱动16位15MSPS采样率的 ADAQ23875信号链μModule的解决方案可实现高精度测量。与使用市面上可用的单片式PGIA相比，完整的信号链可提供更好的整体精密性能。这款宽带宽信号链专为特定客户群定制，旨在构建用于自动化测试设备、电源监控和分析仪的测试仪表。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)在现代数字经济的中心发挥重要作用，凭借其种类丰富的模拟与混合信号、电源管理、RF、数字与传感技术，将现实世界的现象转化成有行动意义的洞察。ADI服务于全球12.5万家客户，在工业、通信、汽车与消费市场提供超过7.5万种产品。ADI公司总部位于马萨诸塞州威明顿市。更多信息请访问：http://www.analog.com/cn。

关于作者

Maithil Pachchigar是ADI公司麻萨诸塞州威明顿市工业和多市场事业部的系统应用工程师。自2010年加入ADI公司以来，他致力于仪器仪表、工业和医疗健康行业的精密信号链解决方案工作和客户支持。自2005年以来，Maithil一直在半导体行业工作，并已独立及合作发表多篇技术文章。Maithil获印度S.V.国家技术学院电子工程学学士学位、圣何塞州立大学的电气工程硕士学位，以及硅谷大学MBA学位。

John Neeko Garlitos是ADI公司的信号链μModule解决方案产品应用工程师。他从事信号链µModule开发和参考电路方面的工作。他于2017年开始在ADI菲律宾GT公司工作。他拥有菲律宾科技大学沙鄢分校电子工程理学士学位以及菲律宾迪里曼大学电子工程硕士学位。

戴尔践行循环经济，以负责任的切实行动释放电子废弃物的商业价值

电子废弃物会对健康和环境造成危害，但它们也蕴含着“深藏不露”的价值。各个行业与规模的企业都可以让这一价值回归到循环经济中。

《2020年全球电子废弃物监测报告》显示，只有17.4%的电子废弃物以合规的方式收集和回收。该报告预计，到2030年全球电子废弃物将达到74公吨（7.4万公斤），近2014年以来的两倍。据联合国亚太经社理事会（UNESCAP）统计，2019年亚洲产生的电子废弃物量居全球第一（约24.9公吨），其次是美洲（13.1公吨）和欧洲（12公吨），非洲和大洋洲分别产生了2.9公吨和0.7公吨的电子废弃物。

电子废弃物的快速增长是规划未来电子废弃物管理时的另一个难点。电子废弃物的年增长率约为3-5%，为其他类型废弃物的近三倍。

环境保护与经济利益的平衡

事实上，保护地球和收获商业利益可以兼得。据统计，2021年的全球IT资产处置市场规模达到1,857万美元，预计该市场在2022-2030年期间的复合年增长率为12%，并在2030年之前增长至5,138万美元。亚太市场的复合年增长率预计为14%，在2030年之前增长至2,544万美元。

《2020年全球电子废弃物监测报告》还提到了经济方面的影响。报告显示，电子废弃物中的铁、铜、金等矿物的价值超过570亿美元。通过适当合理的方式回收这些材料，将为地球和企业均带来有益的影响。

采取循环IT战略，延长产品生命周期

戴尔环境、社会和治理（ESG）目标的核心是加速循环经济。通过淘汰线性经济并主动拥抱循环经济，戴尔在产品设计上减少废弃物的产生并实现重复利用，同时通过延长产品和材料的使用寿命，最终减少对环境的影响。戴尔将循环经济视为推动构建人类命运共同体的关键商业模式，并坚信技术将在循环经济转型中发挥关键作用。作为全球技术领导者，戴尔竭尽所能推动循环经济，最大程度地减少废弃物和排放。

当产品达到使用寿命时，其材料可以被重复使用和回收，在循环经济中创造可持续的价值。这种循环模式不仅可以减少对环境的影响，还能为企业带来提高竞争力、推动创新和收入、降低运营成本以及创造就业岗位的机会。

戴尔也在践行这一理念。自1996年以来，戴尔一直在为世界各地的客户提供安全回收解决方案。自2007年至今，戴尔已经回收了超过26亿磅（12亿千克）的旧电子产品。同时，戴尔还提供资产回收服务（Asset Recovery Services），以安全负责的方式回收和处理企业的IT设备。2022年初，戴尔持续强化并扩充对客户的资产回收服务，该项服务现已应用于全球36个国家。

戴尔资产回收服务，让IT设备安全而永续地汰旧换新

企业用户可以选择使用戴尔资产回收服务，来减少对环境的影响并改进可持续发展举措。凭借在安全领域长期积累的专业知识以及对可持续发展的承诺，戴尔将负责任地转售、回收或返租企业的旧IT设备，让企业能够专注于业务发展。

戴尔的资产回收服务包括：

• 不限品牌：戴尔能够回收企业客户自有或租赁的任何品牌的硬件。

• 承担物流：从取货到最终报告，戴尔将妥善处理资产回收流程的每一个细节，让企业用户专注于核心业务发展。

• 保障数据安全：戴尔将严格按照NIST SP 800-88r1系列标准对设备进行数据清理，防止数据外泄。

• 释放资产价值：废旧IT资产蕴含着“深藏不露”的价值。戴尔始终把重复利用和延长产品寿命作为首要目标。在旧的设备转售后，戴尔会把转售所得款项返还企业客户。

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• 安心便捷：企业客户可以自定义和下载状态报告，随时随地追踪服务进度，轻松获得关于数据清理、处置确认和转售/回收的报告。

如需进一步了解戴尔的资产回收服务，请点击此处。您也可以访问戴尔技术论坛，与我们的专家进行面对面交流或线上交流。

关于戴尔科技集团

戴尔科技集团(NYSE: DELL)致力于帮助组织机构和个人构建数字化未来，改进他们的工作、生活和娱乐方式。戴尔科技集团为客户提供业界最全面、创新的技术及服务组合，迎接数据时代挑战。

东芝电子元件及存储装置株式会社（“东芝”）在上海的子公司东芝电子元件（上海）有限公司荣获了2022年全球电子成就奖(WEAA)的“年度功率半导体/驱动器”奖。东芝电子元件（上海）有限公司于2022年11月10日在中国深圳举行的颁奖典礼上接受了这一荣誉。

东芝荣获AspenCore世界电子成就奖（照片：美国商业资讯）

总部位于美国的AspenCore是世界领先的科技媒体集团之一，其备受推崇的WEAA每年都会表彰为创新和推动电子行业做出杰出贡献的公司和个人。今年，东芝的战略性低压金属氧化物半导体场效应晶体管XPQR3004PB MOSFET获得了“年度功率半导体/驱动器”奖。

东芝电子元件（上海）有限公司总裁Tsutomu Nomura表示：“我们很高兴能够获得久负盛名的WEAA的嘉奖。这是我们的产品连续第5年获奖。东芝将坚定地继续向汽车及其他行业提供电力电子产品，以提高设备的运行效率，并促进碳中和。”

XPQR3004PB是本财年推出的一款面向车载应用的N沟道、40V低压MOSFET，适用于环保型汽车中的电池开关和轻度混合动力汽车中的驾驶辅助电机。该产品是将东芝最先进的UMOS IX裸片封于L-TOGL™封装中。AspenCore了解到该产品具有大电流、高散热能力和高可靠性等特点。

展望未来，东芝将通过提供具有高节能能力的产品来提升其在功率半导体业务中的竞争力，并为低能耗社会和碳中和做出贡献。

* TOGL™是东芝电子元件及存储装置株式会社的商标。
* 其他公司名称、产品名称和服务名称可能是其各自公司的商标。
* 本新闻稿中的产品价格和规格、服务内容和联系方式等信息，在发布之日为最新信息。之后如有变更，恕不另行通知。 

关于东芝电子元件及存储装置株式会社

东芝电子元件及存储装置株式会社是先进半导体和存储解决方案的领先供应商，凭借半个多世纪的经验和创新，为客户和商业伙伴提供卓越的离散半导体、系统LSI和HDD产品。
公司在全球各地的2.3万名员工同心同德，竭力实现公司产品价值的最大化，同时重视与客户的密切合作，促进价值和新市场的共同创造。东芝电子元件及存储装置株式会社期待在目前超过8,500亿日元（75亿美元）的年度销售额基础上再接再厉，为全人类创造更加美好的未来。
如需了解更多信息，请访问：https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/top.html

原文版本可在businesswire.com上查阅：https://www.businesswire.com/news/home/20221123005504/en/

稿源：美通社