儀表放大器：傳感器應(yīng)用的理想電路

許多工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用在存在大共模電壓和DC電位的情況下，都使用儀表放大器(INA)來調(diào)理小信號(hào)。三運(yùn)算放大器(三運(yùn)放)INA架構(gòu)可執(zhí)行該功能，其中輸入級(jí)提供高輸入阻抗，輸出級(jí)過濾共模電壓并提供差分電壓。高阻抗與高共模抑制比的結(jié)合是流量傳感器、溫度傳感器、稱重裝置、心電圖(ECG)和血糖儀等眾多傳感器和生物計(jì)量應(yīng)用的關(guān)鍵。

本文介紹了三運(yùn)放INA的基礎(chǔ)操作，分析了零漂移放大器的優(yōu)點(diǎn)、RFI輸入濾波器、監(jiān)測(cè)傳感器健康和可編程增益放大器，并列舉了傳感器健康監(jiān)測(cè)器和有源屏蔽驅(qū)動(dòng)(active shield guard drive)電路的應(yīng)用范例。

三運(yùn)放INA基礎(chǔ)操作

INA本身的性質(zhì)使其適用于調(diào)理小信號(hào)。其高阻抗與高共模抑制比的結(jié)合非常適合傳感器應(yīng)用。通過使用輸入級(jí)的同相輸入可實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗，無需靠任何反饋技巧(見圖1)。三運(yùn)放電路可消除共模電壓，并以非常小的誤差放大傳感器信號(hào)，但必須考慮輸入共模電壓(VCM)和差分電壓(VD)，以免使INA的輸入級(jí)達(dá)到飽和。

飽和的輸入級(jí)可能看似對(duì)處理電路是正常的，但實(shí)際上卻具有災(zāi)難性后果。通過使用具有軌到軌輸入和輸出(RRIO)配置的放大器來提供最大設(shè)計(jì)余量，有助于避免出現(xiàn)輸入級(jí)飽和。以下討論介紹了三運(yùn)放INA的基本操作，并舉例說明了放大器如何處理共模和差分信號(hào)。

圖1是三運(yùn)放INA的框圖。按照設(shè)計(jì)，輸入被分為共模電壓VCM和差分電壓VD。其中，VCM定義為兩個(gè)輸入的共用電壓，是INA+與INA-之和的平均值，VD定義為INA+與INA-的凈差(見式1)。

圖1. 三運(yùn)放INA及其電壓節(jié)點(diǎn)

式2給出了由于施加共模電壓和差分電壓而在INA輸入引腳上產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)電壓(INA+、INA-)。

在非飽和模式下，A1和A2的運(yùn)放在增益設(shè)置電阻RG上施加差分電壓，產(chǎn)生電流ID：

因此A1和A2的輸出電壓為：

將式3代入式4可得：

式5僅顯示被增益G1放大的差分分量VD/2，共模電壓VCM經(jīng)過具有單位增益的輸入級(jí)，并在隨后被放大器A3的共模抑制抵消。此動(dòng)作有助于INA將共模信號(hào)從所需的差分信號(hào)上消除，從而得到我們想要的結(jié)果。來自各種傳感器的差分信號(hào)常常被放大100 - 1000倍，以獲得測(cè)量所需的靈敏度。例子包括精密稱重裝置、醫(yī)療儀器、惠斯通(Wheatstone)電橋和熱電堆傳感器等等。

零漂移放大器的優(yōu)點(diǎn)

無論采用什么工藝技術(shù)和架構(gòu)，所有放大器的輸入失調(diào)電壓都會(huì)隨溫度和時(shí)間而變化。制造商會(huì)提供關(guān)于輸入失調(diào)電壓隨溫度變化的技術(shù)規(guī)范(以每攝氏度伏特?cái)?shù)表示)。傳統(tǒng)放大器的該規(guī)范是每攝氏度幾微伏至幾十微伏。該失調(diào)漂移在高精密應(yīng)用中可能會(huì)出問題，且無法在初始制造期間校準(zhǔn)。除了隨溫度變化的漂移，放大器的輸入失調(diào)電壓還會(huì)隨著時(shí)間的推移而漂移，并造成很大的產(chǎn)品壽命誤差。由于顯而易見的原因，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表不包括關(guān)于該漂移的技術(shù)規(guī)范。

通過連續(xù)自我校正失調(diào)電壓，使漂移隨溫度和時(shí)間的變化降到最小程度，是零漂移放大器的固有特性。有些零漂移放大器對(duì)失調(diào)電壓的校正頻率高達(dá)每秒10,000次。輸入失調(diào)電壓(VOS)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，且在使用INA來測(cè)量傳感器信號(hào)時(shí)還會(huì)引起DC誤差。零漂移放大器(如ISL2853x和ISL2863x)能夠提供5nV/C的極低失調(diào)漂移。

零漂移放大器還可消除1/f噪聲，或閃爍噪聲(見圖2)。1/f噪聲是由傳導(dǎo)通路中的不規(guī)則性所引起的低頻現(xiàn)象和晶體管內(nèi)的電流而產(chǎn)生的噪聲。這使零漂移放大器成為用于接近DC的低頻輸入信號(hào)(如來自應(yīng)變儀、壓力傳感器和熱電偶的輸出)的理想選擇。考慮到零漂移放大器的采樣和保持功能將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，使其容易產(chǎn)生由于減法誤差而引起的混疊和折疊效應(yīng)，這會(huì)造成寬頻分量折疊進(jìn)入基帶。但在低頻條件下，噪聲變化緩慢，所以減去兩個(gè)連續(xù)的噪聲樣本可實(shí)現(xiàn)真正的噪聲消除。

圖2. 半導(dǎo)體中的噪聲密度：從1/f噪聲到白噪聲

RFI輸入濾波器的重要性

無線收發(fā)器在便攜式應(yīng)用中的使用增多，已導(dǎo)致電子電路在高頻無線電發(fā)射器(如藍(lán)牙)附近工作的能力受到更大關(guān)注。這就需要進(jìn)行RF抑制來確保傳感器的工作不受干擾。在對(duì)電磁干擾(EMI)敏感的應(yīng)用中，高頻RF信號(hào)可能在精密放大器的輸出端表現(xiàn)為已整流的DC失調(diào)。因?yàn)榫芮岸说脑鲆婵赡苓_(dá)到100或更大，所以一定不能放大在放大器輸入端可能存在的任何傳導(dǎo)的或輻射的噪聲。解決這個(gè)問題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是如圖3所示，在INA的輸入端設(shè)置RFI濾波器。

圖3. 帶RFI輸入濾波器的INA的輸入級(jí)

傳感器健康的監(jiān)測(cè)

能夠監(jiān)測(cè)傳感器隨時(shí)間推移而產(chǎn)生的任何變化，有助于提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確度。在傳感器上直接進(jìn)行測(cè)量很有可能影響讀數(shù)。有一種解決辦法是將INA的輸入放大器用作高阻抗緩沖器。ISL2853x和ISL2863x儀表放大器允許用戶僅為這一目的而操作輸入放大器的輸出。VA+以差分放大器的非反相輸入為參照，而VA-以反相輸入為參照。這些具有緩沖的引腳可用于測(cè)量輸入共模電壓，以便提供傳感器反饋信息和健康監(jiān)測(cè)。通過在VA+和 VA-上連接兩個(gè)電阻，可在兩個(gè)電阻的中點(diǎn)提取具有緩沖的輸入共模電壓(見圖 4)。此電壓可發(fā)送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，用于傳感器監(jiān)測(cè)或反饋控制，從而不斷提高傳感器的精度和準(zhǔn)確度。

圖4. VA+ 和 VA- 引腳可以對(duì)接輸入增益級(jí)的輸出

可編程增益放大器的優(yōu)點(diǎn)

廣泛被接受的一點(diǎn)是，不能使用分立元件來構(gòu)建精密差分放大器，并獲得良好的CMR性能或增益準(zhǔn)確度。這是由于用于將運(yùn)算放大器配置為差分放大器的四個(gè)外部電阻的匹配所致。分析表明，電阻公差會(huì)造成CMR范圍上限高達(dá)運(yùn)算放大器的極限，下限低至-24.17Db2。

集成式解決方案可改善片上電阻匹配，但當(dāng)用于設(shè)置放大器的增益時(shí)，仍然存在與外部電阻的絕對(duì)匹配問題。片上精密電阻阻值與外部電阻阻值之間的偏差，可能達(dá)到20%甚至30%。另一個(gè)誤差來源是內(nèi)部和外部電阻之間的熱性能差異。內(nèi)部和外部電阻可能具有相反的溫度系數(shù)。

可編程增益放大器解決這個(gè)問題的途徑是使所有電阻均為內(nèi)部電阻。此類放大器的增益誤差(見式6)可能小于1%，并在溫度變化條件下具有±0.05%典型值和±0.4%最大值(增益可達(dá)500)的調(diào)整能力。

Intersil的ISL2853x和ISL2863x系列可編程INA(PGIA)提供單端(ISL2853x)和差分(ISL2863x)輸出，并具有三個(gè)不同的增益集。每個(gè)增益集有九個(gè)不同的增益設(shè)置，如表1所示。如每列的底部所示，這些增益集適用于特定應(yīng)用。

傳感器健康監(jiān)測(cè)器和有源屏蔽驅(qū)動(dòng)應(yīng)用范例

傳感器健康監(jiān)測(cè)器

橋式傳感器使用四個(gè)匹配的電阻性元件來構(gòu)建平衡的差分電路。電橋可以是分立電阻和電阻性傳感器的組合，用于四分之一橋、半橋和全橋應(yīng)用。電橋由位于兩個(gè)支路上的低噪聲、高準(zhǔn)確度電壓基準(zhǔn)源驅(qū)動(dòng)。另兩個(gè)支路是差分信號(hào)，其輸出電壓變化與被感測(cè)環(huán)境的變化相似。在橋式電路中，差分信號(hào)的共模電壓是電橋激發(fā)源的“中點(diǎn)”電位電壓。例如，在使用+5V基準(zhǔn)源作為激發(fā)源的單電源系統(tǒng)中，共模電壓為+2.5V。

傳感器健康監(jiān)測(cè)的概念是跟蹤數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的電橋阻抗。環(huán)境中的變化、隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生的磨損或發(fā)生故障的橋式電阻性元件會(huì)使電橋失衡，造成測(cè)量誤差。由于電橋差分輸出共模電壓是激發(fā)電壓的一半，所以可通過測(cè)量該共模電壓來監(jiān)測(cè)傳感器的阻抗健康(見圖5)。通過周期性地監(jiān)測(cè)電橋的共模電壓，我們能夠了解傳感器的健康狀況。

圖5. 傳感器健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用電路圖

有源屏蔽驅(qū)動(dòng)

遠(yuǎn)離信號(hào)調(diào)理電路的傳感器在工作時(shí)會(huì)受到嘈雜環(huán)境的影響，從而減小進(jìn)入放大器的信噪比。差分信號(hào)傳輸和屏蔽電纜是用于減小靈敏信號(hào)線路噪聲的兩種技術(shù)。減小儀表放大器無法抑制的噪聲(高頻噪聲或超出供電軌的共模電壓電平)可提高測(cè)量準(zhǔn)確度。屏蔽電纜可提供卓越的信號(hào)線路噪聲耦合抑制功能。然而，電纜阻抗失配會(huì)導(dǎo)致共模誤差進(jìn)入放大器。驅(qū)動(dòng)電纜屏蔽至低阻抗電位可減少阻抗失配。電纜屏蔽通常連接至機(jī)殼接地端，因?yàn)樗且粋€(gè)非常好的低阻抗點(diǎn)且易于操作。這種做法對(duì)雙電源應(yīng)用非常有效，但對(duì)單電源放大器，這可能并不總是連接屏蔽的最佳電位電壓。

在某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器信號(hào)放大器使用雙路供電電壓(±2.5V)。將屏蔽連接至模擬接地端(0V)會(huì)將屏蔽的共模電壓恰好放置于偏置電源中點(diǎn)，亦即放大器CMR性能最佳的位置。隨著單路電源放大器(5V)漸漸成為傳感器傳輸文件進(jìn)行PCB打樣放大器的更受歡迎的選擇，將屏蔽連接于0V位置的方法目前是連接于放大器的較低電源軌，這通常是CMR性能會(huì)出現(xiàn)下降的共模電壓。將屏蔽連接至中點(diǎn)供電電壓值的共模電壓會(huì)使放大器以最佳CMR性能工作。

改善屏蔽驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)解決方案是使用ISL2853x和ISL2863x的VA+和VA-引腳，來感測(cè)共模電壓并驅(qū)動(dòng)屏蔽至該電壓(見圖6)。使用VA+和VA-引腳可產(chǎn)生輸入共模電壓的低阻抗基準(zhǔn)源。驅(qū)動(dòng)屏蔽至輸入共模電壓，可減小電纜阻抗失配和提升單電源傳感器應(yīng)用的CMR性能。對(duì)屏蔽驅(qū)動(dòng)電路的進(jìn)一步緩沖，可使用ISL2853x產(chǎn)品上的附加未使用運(yùn)算放大器，從而消除對(duì)添加外部放大器的需求。

圖6. 有源屏蔽應(yīng)用電路圖

結(jié)論

儀表放大器是眾多傳感器的理想電路選擇，但是可選擇的合適放大器如同被測(cè)量的不同傳感器傳輸文件進(jìn)行PCB打樣一樣數(shù)量龐大。市場(chǎng)上的最新INA已經(jīng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。用戶也一如既往地需要在性能和價(jià)格之間進(jìn)行權(quán)衡。如果應(yīng)用是針對(duì)高精密INA，那么ISL2853x 和ISL2863x就是理想的解決方案。

這些放大器提供軌到軌輸入和輸出，以便既保證最大動(dòng)態(tài)范圍又不使輸入級(jí)達(dá)到飽和。它們是提供自動(dòng)失調(diào)電壓校正和降噪的零漂移放大器，具有5nV/°C的極低失調(diào)電壓漂移和低1/F噪聲(轉(zhuǎn)角頻率降至低于1Hz)。輸入端具有用于EMI敏感應(yīng)用的RFI輸入濾波器，同時(shí)集成了用于前端增益級(jí)和差分第二級(jí)的精密匹配電阻，從而提供非常低的增益誤差(±0.05%)和卓越的CMR(138dB)。

精密性能使這些放大器非常適合模擬傳感器傳輸文件進(jìn)行PCB打樣前端、儀表和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如需要非常低噪聲和高動(dòng)態(tài)范圍的稱重裝置、流量傳感器和分流器電流感測(cè)。