傳感器的信號調節技術(shù)

提示

· 通常，斬波放大器更適合用于直流或低頻應用，而自動(dòng)穩零放大器則適用于更大帶寬的應用。

· 兩種很常見(jiàn)的結構分別用兩只和三只運放構成儀表放大器。

· 能量采集為遠方的微處理器或發(fā)射機供電，而不需要局部電源。

· 完整解決方案需要處理傳感器驅動(dòng)與輸出需求、采樣速率、信號路徑校準、性能、傳感器診斷、功耗需求等問(wèn)題。

· 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )正在改變信息收集的方式，增加物理世界數據的數量與可獲得性。

很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個(gè)高增益和有精確性能(接近于dc)的信號調節電路。我們評估了現代模擬電路所采用最新傳感器的信號調節狀況。

現代傳感器能檢測許多模擬屬性，如溫度、力、壓力、濕度、流動(dòng)、功率等，并將其轉換成一定的電壓、電流、電荷輸出。這些輸出或為阻性模擬信號， 或為純數字信號， 其大小與對應的環(huán)境激勵成比例。有些傳感器可自行工作； 還有一些則需要提供電源， 通常是電壓源或電流源形式。很多時(shí)候， 需要對信號做單獨的調節或合并， 才能提供有用的電子輸出信號。本文中，我們來(lái)看一些現代模擬電路中用于傳感器信號調節的最新技術(shù)。隨著(zhù)對高精密運放需求的不斷增長(cháng)，自校準架構也日益普及，這種架構可連續地校準偏移誤差。Microchip公司首席產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師Kevin Tretter發(fā)現，很多領(lǐng)先放大器制造商都用“零漂移”來(lái)表示任何的連續自校準架構，無(wú)論是自動(dòng)穩零結構，還是斬波穩零結構。通常，斬波放大器更適合用于dc或低頻應用，而自動(dòng)穩零放大器則適用于更大帶寬的應用。

Tretter指出，用于零漂信號調節的自動(dòng)穩零架構包括一個(gè)主放大器和次放大器，主放大器永遠連到輸入端，而次放大器則不斷修正它們自己的偏移，并將偏移修正值應用于主放大器。Microchip公司已在MCP6V01上實(shí)現了這種類(lèi)型的架構，其主放大器偏移誤差的修正速度為1萬(wàn)次/s，從而獲得了Microchip稱(chēng)之為極低的偏移和失調漂移。

斬波穩零架構也使用一只永遠與輸入端相連的大帶寬主放大器， 另外有一個(gè)“ 輔助” 放大器， 它使用開(kāi)關(guān)來(lái)斬斷輸入信號， 為主放大器提供偏移校正。例如，Microchip的MCP6V11小功率放大器通過(guò)斬波動(dòng)作最大限度地減少了偏移以及偏移相關(guān)的誤差。

雖然內部工作方式不同，但自動(dòng)穩零和斬波穩零放大器都有相同的目標： 盡量減小偏移以及偏移相關(guān)的誤差。結果不僅獲得了低的初始偏移， 而且在各個(gè)時(shí)間和溫度下也有低的失調漂移、極好的共模抑制與電源抑制，并消除了1/f ( 頻率相關(guān))噪聲。

斬波架構

Analog Devices公司應用工程經(jīng)理Reza Moghimi指出，很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個(gè)高增益和有精確性能(接近于dc)的信號調節電路。這些傳感器的應用包括精密電子秤、測壓元件與橋式換能器、熱電偶/溫差電堆傳感器的接口，以及精密醫療儀器。

用于這些傳感器信號調節的是非精密放大器， 它們的偏移電壓、失調漂移電壓， 以及1 / f 噪聲都會(huì )造成誤差， 需要軟件或硬件的校正。Moghimi提供了一個(gè)采用零漂放大器做高精度信號調節的實(shí)例。該放大器設計實(shí)現了超低偏移電壓與漂移、高開(kāi)環(huán)增益、高電源抑制比、高共模抑制能力，且無(wú)1/f噪聲，設計人員獲得了無(wú)需校正的便利。

圖1中的電路是一個(gè)單電源精密電子秤， 它使用了AD7791 ，這是一款小功率帶緩沖的24 位Σ - ΔADC ， 還有一只外接的ADA4528- x 零漂放大器。電路已經(jīng)過(guò)了ADI的建立與測試，具體說(shuō)明見(jiàn)參考文獻1， 在10 mV滿(mǎn)量程輸出下，對一個(gè)測重元件可產(chǎn)生15.3 位的無(wú)噪聲編碼分辨率， 并在從9.5Hz~120Hz的整個(gè)輸出數據區間上都能保持良好的性能。

電路中的差分放大器包括兩只低噪聲零漂ADA 4528 放大器，它具有1kHz 時(shí)5. 6nV/電壓噪聲密度，0.3μV偏移電壓，0.002μV /失調電壓漂移，以及分別為158dB和150dB的共模抑制與電源抑制。電路增益等于1+2R1/RG，電容C1、C2與電阻R1、R2并聯(lián)實(shí)現的低通濾波器將噪聲帶寬限制到4.3Hz，阻止了進(jìn)入Σ - Δ ADC 的噪聲量。C5、R3和R4構成一個(gè)截止頻率為8Hz 的差分濾波器， 用于進(jìn)一步限制噪聲。C3 、C4 與R3 、R4共同構成截止頻率為159Hz的共模濾波器。

另一個(gè)高精度小功率信號調節的例子是圖2中給出的心電圖電路，也在參考文獻2中有說(shuō)明。ECG電路必須工作在一個(gè)差分dc偏移下，因為電極有半電池電勢。這個(gè)過(guò)壓的容限通常是±300 mV，但在有些情況下可以為1V或更高。ECG電路中有電源電壓的下降趨勢及存在這個(gè)較高半電池電勢，限制了可以加在第一級信號調節上的增益。

AD8237架構解決這一問(wèn)題的方法是，從輸出端到REF管腳接一個(gè)低頻反相積分器，其擺幅最多為dc偏移，而不是dc偏移與增益的乘積。由于放大器增益加在積分器輸出端，放大級可以施加高增益，并降低對系統其余部分的精度要求。這級放大之后信號路徑中器件的噪聲與偏移誤差對整體精度幾乎沒(méi)有貢獻。AD8607雙微功耗儀表運放用于積分、緩沖與電平轉換，電源電流為115μA。圖中未顯示應有的去耦部分。

零漂軌至軌輸入與輸出儀表放大器可以工作在最小1.8V 電源電壓， 增益漂移為0.5 ppm / ，而失調漂移電壓為0.2 μV / 。兩只外接電阻可在1 ~1000 區間內設定增益值。AD 8607 可以滿(mǎn)幅放大共模電壓等于或超出300 mV電源電壓的信號。

應用

Microchip公司的Tretter指出，當斬波穩零放大器首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，它們具有大開(kāi)關(guān)電流與布局敏感的特性， 使之既難使用成本又高。因此設計者將其局限用于那些性能非常關(guān)鍵的應用。自那以后， 工藝技術(shù)與硅設計的發(fā)展改善了零漂放大器的可用性， 從而在廣泛的應用中找到了用武之地， 包括醫療設備、工業(yè)流量?jì)x表、萬(wàn)用表、高端稱(chēng)重計， 甚至游戲機等。很多傳感器通常都排列成一種Wheatstone橋結構，如應力規、RTD(電阻溫度檢測器)和壓力傳感器(圖3)，因為這種電路類(lèi)型提供了出色的靈敏度。即使在一個(gè)Wheatstone橋結構中使用了多只傳感器， 輸出電壓的總變化也相對較小，通常在毫伏區間。由于信號幅度小，一般需要一個(gè)增益級，然后再通過(guò)ADC將電壓轉換為數字信號。Tretter稱(chēng)，零漂放大器是這類(lèi)應用的一個(gè)上佳選擇，因為它有高增益和最低的噪聲。

IA設計考慮

Touchstone半導體公司營(yíng)銷(xiāo)與應用副總裁Adolfo A Garcia指出，當電源電壓低(3V)，并且可選自完備IA(儀表放大器)有限時(shí)，設計自己的IA最為簡(jiǎn)單直接，只需要了解運放的輸入輸出dc特性與電路結構。構建儀表運放有兩種很常見(jiàn)的結構，分別采用兩只和三只運放。

圖4給出了兩種運放結構。當采用單電源軌至軌的小功率運放時(shí)，主要的選擇考慮(根據應用情況)包括：dc特性，如VOS、TCVOS、AVOL(MIN)、IOS、VOH(MIN)和VOL(MAX)，以及ac特性，如放大器輸入相關(guān)噪聲與帶寬。最大輸出動(dòng)態(tài)范圍與應用無(wú)關(guān)，是實(shí)現最高電路性能的關(guān)鍵。據Garcia稱(chēng)，輸出級能提供最寬動(dòng)態(tài)范圍的單電源運放是最佳選擇，因為避免了放大器輸出級飽和問(wèn)題。

注意圖4電路傳輸方程中的基準電壓項(VREF)。為避免AMP1的輸出飽和，儀表放大器的輸出信號的測量必須針對VREF。在一個(gè)3 V (或更低電壓)的系統中，如要電路有最大的動(dòng)態(tài)范圍，并避免輸出級的飽和問(wèn)題，只要簡(jiǎn)單地將VREF設為電源的一半就足夠了。不過(guò)Garcia發(fā)現，只有所選運放的VOH(MIN)和VOL(MAX)規格相對其電源數據對稱(chēng)時(shí)，這個(gè)方法才是有效的。

在式2中，是IA電路上所加的最大差分輸入電壓。如果所需增益是一個(gè)已知的電路參數，則可以重新排列式中的相應項，以確定為防止輸出級飽和而能給電路施加的最大輸入差分電壓。

為了以最小功率運行，電路中使用的電阻應為100kΩ或更大，具體要看噪聲和帶寬設計方面的考慮。另外要指出的是，運放的VOH(MIN)和VOL(MAX)電壓規格很大程度上由放大器輸出級負載所決定，因此要注意負載電阻的情況。

有一個(gè)實(shí)際例子，選擇的是一只TS1002 雙0.6μA運放，構造了一個(gè)增益為10的雙運放IA，它的工作電源為2.5V。TS1002在100kΩ負載下的VOH(MIN)和VOL(MAX)規格分別為2.498V和0.001V 。使用式1， VREF等于(2.498V+ 0.001V)/2=1.249V，輸出級被偏置在最大輸出動(dòng)態(tài)范圍內，避免了輸出級飽和。在上述增益10情況下，為避免輸出級飽和而施加的最大差分輸入電壓為：(2.498V+0.001V)/(2×10)，約125mV。