儀表放大器：傳感器應用的理想電路

　　許多工業(yè)和醫療應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(lái)調理小信號。三運算放大器(三運放)INA架構可執行該功能，其中輸入級提供高輸入阻抗，輸出級過(guò)濾共模電壓并提供差分電壓。高阻抗與高共模抑制比的結合是流量傳感器、溫度傳感器、稱(chēng)重裝置、心電圖(ECG)和血糖儀等眾多傳感器和生物計量應用的關(guān)鍵。

　　本文介紹了三運放INA的基礎操作，分析了零漂移放大器的優(yōu)點(diǎn)、RFI輸入濾波器、監測傳感器健康和可編程增益放大器，并列舉了傳感器健康監測器和有源屏蔽驅動(dòng)(active shield guard drive)電路的應用范例。

　　三運放INA基礎操作

　　INA本身的性質(zhì)使其適用于調理小信號。其高阻抗與高共模抑制比的結合非常適合傳感器應用。通過(guò)使用輸入級的同相輸入可實(shí)現高輸入阻抗，無(wú)需靠任何反饋技巧(見(jiàn)圖1)。三運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，但必須考慮輸入共模電壓(VCM)和差分電壓(VD)，以免使INA的輸入級達到飽和。

　　飽和的輸入級可能看似對處理電路是正常的，但實(shí)際上卻具有災難性后果。通過(guò)使用具有軌到軌輸入和輸出(RRIO)配置的放大器來(lái)提供最大設計余量，有助于避免出現輸入級飽和。以下討論介紹了三運放INA的基本操作，并舉例說(shuō)明了放大器如何處理共模和差分信號。

　　圖1是三運放INA的框圖。按照設計，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(jiàn)式1)。

　　圖1. 三運放INA及其電壓節點(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)生的節點(diǎn)電壓(INA+、INA-)。

　　在非飽和模式下，A1和A2的運放在增益設置電阻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(guò)具有單位增益的輸入級，并在隨后被放大器A3的共模抑制抵消。此動(dòng)作有助于INA將共模信號從所需的差分信號上消除，從而得到我們想要的結果。來(lái)自各種傳感器的差分信號常常被放大100 - 1000倍，以獲得測量所需的靈敏度。例子包括精密稱(chēng)重裝置、醫療儀器、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(wú)論采用什么工藝技術(shù)和架構，所有放大器的輸入失調電壓都會(huì )隨溫度和時(shí)間而變化。制造商會(huì )提供關(guān)于輸入失調電壓隨溫度變化的技術(shù)規范(以每攝氏度伏特數表示)。傳統放大器的該規范是每攝氏度幾微伏至幾十微伏。該失調漂移在高精密應用中可能會(huì )出問(wèn)題，且無(wú)法在初始制造期間校準。除了隨溫度變化的漂移，放大器的輸入失調電壓還會(huì )隨著(zhù)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(jiàn)的原因，產(chǎn)品數據表不包括關(guān)于該漂移的技術(shù)規范。

　　通過(guò)連續自我校正失調電壓，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失調電壓的校正頻率高達每秒10,000次。輸入失調電壓(VOS)是一個(gè)關(guān)鍵參數，且在使用INA來(lái)測量傳感器信號時(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的極低失調漂移。

　　零漂移放大器還可消除1/f噪聲，或閃爍噪聲(見(jiàn)圖2)。1/f噪聲是由傳導通路中的不規則性所引起的低頻現象和晶體管內的電流而產(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(如來(lái)自應變儀、壓力傳感器和熱電偶的輸出)的理想選擇?？紤]到零漂移放大器的采樣和保持功能將其轉變?yōu)橐粋€(gè)采樣數據系統，使其容易產(chǎn)生由于減法誤差而引起的混疊和折疊效應，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)連續的噪聲樣本可實(shí)現真正的噪聲消除。

　　圖2. 半導體中的噪聲密度：從1/f噪聲到白噪聲

　　RFI輸入濾波器的重要性

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)器在便攜式應用中的使用增多，已導致電子電路在高頻無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器(如藍牙)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(lái)確保傳感器的工作不受干擾。在對電磁干擾(EMI)敏感的應用中，高頻RF信號可能在精密放大器的輸出端表現為已整流的DC失調。因為精密前端的增益可能達到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的或輻射的噪聲。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是如圖3所示，在INA的輸入端設置RFI濾波器。

　　圖3. 帶RFI輸入濾波器的INA的輸入級

　　傳感器健康的監測

　　能夠監測傳感器隨時(shí)間推移而產(chǎn)生的任何變化，有助于提高測量系統的穩健性和準確度。在傳感器上直接進(jìn)行測量很有可能影響讀數。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(hù)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量輸入共模電壓，以便提供傳感器反饋信息和健康監測。通過(guò)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(jiàn)圖 4)。此電壓可發(fā)送至模/數轉換器(ADC)，用于傳感器監測或反饋控制，從而不斷提高傳感器的精度和準確度。

　　圖4. VA+ 和 VA- 引腳可以對接輸入增益級的輸出

　　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(lái)構建精密差分放大器，并獲得良好的CMR性能或增益準確度。這是由于用于將運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范圍上限高達運算放大器的極限，下限低至-24.17Db2。

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

　　可編程增益放大器解決這個(gè)問(wèn)題的途徑是使所有電阻均為內部電阻。此類(lèi)放大器的增益誤差(見(jiàn)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500)的調整能力。

　　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用。

　　傳感器健康監測器和有源屏蔽驅動(dòng)應用范例

　　傳感器健康監測器

　　橋式傳感器使用四個(gè)匹配的電阻性元件來(lái)構建平衡的差分電路。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、半橋和全橋應用。電橋由位于兩個(gè)支路上的低噪聲、高準確度電壓基準源驅動(dòng)。另兩個(gè)支路是差分信號，其輸出電壓變化與被感測環(huán)境的變化相似。在橋式電路中，差分信號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基準源作為激發(fā)源的單電源系統中，共模電壓為+2.5V。

　　傳感器健康監測的概念是跟蹤數據采集系統中的電橋阻抗。環(huán)境中的變化、隨著(zhù)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(guò)測量該共模電壓來(lái)監測傳感器的阻抗健康(見(jiàn)圖5)。通過(guò)周期性地監測電橋的共模電壓，我們能夠了解傳感器的健康狀況。

　　圖5. 傳感器健康監測應用電路圖

　　有源屏蔽驅動(dòng)

　　遠離信號調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。差分信號傳輸和屏蔽電纜是用于減小靈敏信號線(xiàn)路噪聲的兩種技術(shù)。減小儀表放大器無(wú)法抑制的噪聲(高頻噪聲或超出供電軌的共模電壓電平)可提高測量準確度。屏蔽電纜可提供卓越的信號線(xiàn)路噪聲耦合抑制功能。然而，電纜阻抗失配會(huì )導致共模誤差進(jìn)入放大器。驅動(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殼接地端，因為它是一個(gè)非常好的低阻抗點(diǎn)且易于操作。這種做法對雙電源應用非常有效，但對單電源放大器，這可能并不總是連接屏蔽的最佳電位電壓。

　　在某些數據采集系統中，傳感器信號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(zhù)單路電源放大器(5V)漸漸成為傳感器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。

　　改善屏蔽驅動(dòng)的另一個(gè)解決方案是使用ISL2853x和ISL2863x的VA+和VA-引腳，來(lái)感測共模電壓并驅動(dòng)屏蔽至該電壓(見(jiàn)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源。驅動(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用的CMR性能。對屏蔽驅動(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算放大器，從而消除對添加外部放大器的需求。

　　圖6. 有源屏蔽應用電路圖

　　結論

　　儀表放大器是眾多傳感器應用的理想電路選擇，但是可選擇的合適放大器如同被測量的不同傳感器一樣數量龐大。市場(chǎng)上的最新INA已經(jīng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。用戶(hù)也一如既往地需要在性能和價(jià)格之間進(jìn)行權衡。如果應用是針對高精密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)范圍又不使輸入級達到飽和。它們是提供自動(dòng)失調電壓校正和降噪的零漂移放大器，具有5nV/°C的極低失調電壓漂移和低1/F噪聲(轉角頻率降至低于1Hz)。輸入端具有用于EMI敏感應用的RFI輸入濾波器，同時(shí)集成了用于前端增益級和差分第二級的精密匹配電阻，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前端、儀表和數據采集應用，如需要非常低噪聲和高動(dòng)態(tài)范圍的稱(chēng)重裝置、流量傳感器和分流器電流感測。