A design scheme for increasing the gain of delta-sigma converters by a small amount using analog gain front end

           When sensors are used to capture low-level signals generated by temperature, pressure, and other environmental variables, small signal detection is a challenge. These signals can easily be masked by the ambient noise of the measurement environment, placing stringent requirements on the remaining electronics in the signal path. If the data acquisition system requires high accuracy, the full-scale range of the effective signal must be reduced to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of the detection system. There are many digital or analog techniques that can be used to improve the SNR of the detection system. For example, the digital and analog techniques used in the circuit shown in Figure 1 can improve the SNR and are easy to implement. The circuit uses an instrumentation amplifier as the front end of the analog signal path. With such an analog gain stage, the effective full-scale range of the entire system can be changed. After the instrumentation amplifier, a delta-sigma converter is used, which has analog gain and digital filtering performance. When properly configured, the analog gain and digital filtering performance can be optimized to further improve the SNR. The final signal conditioning is completed by a μ controller, which uses software gain or bit shifting. Figure 1. High-precision thermocouple interface circuit diagram with cold junction compensation function. The use of the ADS1212 delta-sigma A/D converter allows the circuit to have a resolution of 19 to 20 bits, while the INA128 is used to match the output range of the thermocouple to the full-scale input range of the data conversion system. This article discusses the trade-offs in the design of the analog gain stage preceding the delta-sigma converter. An instrumentation amplifier (INA128) is used in the circuit examples presented. The INA128 was chosen because it has differential inputs, good common-mode rejection over the entire frequency range, and can be powered from a single supply. Other gain values ​​preceding the A/D converter are described later in the temperature sensing application circuit. For more information on software gain, programmable gain amplifier design, and digital filters in delta-sigma converters, see application note AB-106. Sensing devices such as thermocouples, RTDs, and strain gauges respond to physical or mechanical events that can be measured and controlled in a process control environment. These devices have different sensitivities due to their different constructions. For example, thermocouples (shown in Figure 2a) are used to sense large temperature changes ranging from 0°C to 1700°C. A thermocouple is made by welding two different metal materials together. When there is a temperature difference between the end of one metal and one end of the other metal, a voltage is generated. The sensitivity of the four different types of thermocouples are listed in the table below: