【導讀】本文闡述了儀表放大器(IA)在傳感器應用中的使用，重點討論了系統(tǒng)設計所面臨的挑戰(zhàn)以及實施方案選擇，介紹了一種新的集成電路IA架構(gòu)，并列舉了一些典型應用，例如：比例橋、低端電流檢測等。
傳感器測量通常是將感興趣的物理量轉(zhuǎn)換成電子電路參數(shù)，如電阻和電容，然后再用橋電路對這些參數(shù)進行讀取。橋電路產(chǎn)生與溫度、電源電壓成比例的輸出電壓或電流信號，從而使測量系統(tǒng)針對這些因素的變化進行補償。常用的傳感器包括：
- 用于溫度檢測的熱敏電阻
- 用于壓力檢測的電阻/電容應變儀
- 用于方向/位置檢測的磁阻傳感器
可以直接產(chǎn)生信號電壓或電流的傳感器不需要用橋電路轉(zhuǎn)換物理參數(shù)。這種傳感器有：熱電偶、基于ECG的醫(yī)療儀器以及電源監(jiān)測電路中測量檢流電阻的電壓等。
目前的傳感器應用范圍非常廣泛，從消費類電子(溫度計、壓力計、GPS系統(tǒng)等)到汽車電子(燃油傳感器、碰撞傳感器、剎車線路傳感器和車窗防夾控制等)、工業(yè)和醫(yī)療儀器(閥位檢測、基于溫度的系統(tǒng)校準和報警、ECG等)。這些工作環(huán)境充滿了EMI噪聲、電源諧波、地環(huán)路電流和ESD脈沖，而待提取的目標信號卻相對很小。因此，模擬傳感器接口變得非常復雜，必須在抑制這些環(huán)境干擾的同時精確保持規(guī)格要求。為確保產(chǎn)品成功地投放市場，傳感器必須具有低成本、小尺寸以及低電流(針對電池供電的測量設備)特性。
是否放大信號
系統(tǒng)設計人員喜歡將模擬鏈路保持得盡可能短，希望以此提高信號對外部噪聲的抗干擾能力(數(shù)字電路通常對噪聲不敏感)。傳統(tǒng)設計中，較長的模擬鏈路要求后續(xù)電路使用特定的信號處理。例如一級電路提供差分增益，但沒有共模抑制；另一級電路提供共模抑制，但沒有差分增益。雙電源和高壓擺幅有助于降低對模擬電路的信噪比要求。較短的模擬鏈路以及對單電源供電、低電壓模擬擺幅的要求迫使人們開發(fā)創(chuàng)新的架構(gòu)，應對這些設計挑戰(zhàn)。
在系統(tǒng)的設計之初就要考慮ADC和傳感器之間是否可以直接連接。這種直接連接在某些應用場合具有很大優(yōu)勢。有些應用中，這種直接連接能夠節(jié)省空間和功耗。例如，高阻比例橋可以采用內(nèi)置基準的ADC，從而省去外部基準。
另一方面，可能需要使用儀表放大器(IA)連接傳感器和ADC，原因是：
- 在靠近信號源的地方將小信號放大可以改善一些應用的總信噪比，特別是當傳感器距離ADC較遠時。
- 許多高性能ADC不具備高阻輸入，需要通過一個低阻放大器驅(qū)動才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。這種情況下如果沒有中間放大器，輸入電流尖峰和不匹配的源阻抗會導致較大的增益誤差。
- 外部放大器允許用戶根據(jù)具體應用優(yōu)化信號調(diào)理(濾波)。
- IA提供的增益能夠改善傳感器與ADC之間的連接，因為它不僅可以減輕系統(tǒng)設計壓力，還能降低總體系統(tǒng)成本。例如，讀取一個未經(jīng)放大的傳感器信號要比讀取放大后的傳感器信號需要更高的分辨率和昂貴的ADC。
低失調(diào)帶來的益處
教科書中用大量的篇幅描述理想世界，公式推導中存在許多不確定因素，所有問題都用一個答案解答。而為了得到一個工作的模擬電路在實驗室進行的長時間調(diào)試更能說明真實世界的狀況，整個進程的里程碑可能恰好源于一次轉(zhuǎn)折……。
使用IA讀取傳感器信號時經(jīng)常會遇到各種直流誤差問題，主要根源是輸入失調(diào)電壓(VOS)的影響。事實上，任何直流誤差源都可以等效為VOS：直流CMRR代表直流VOS隨輸入共模電壓的變化，直流PSRR代表直流VOS隨電源電壓的變化。
即使VOS可以在生產(chǎn)過程中可以校準，與初始直流失調(diào)相比，也要更加關注VOS的漂移(隨溫度和時間變化)。這種漂移誤差最好通過芯片內(nèi)部的有源電路消除。
引起交流誤差的重要根源是噪聲，而噪聲是半導體芯片設計和工藝所固有的。因為大多數(shù)傳感器信號被高增益模塊所放大，以輸入信號為參考的噪聲也被同樣的增益放大。噪聲有兩種形式：粉色噪聲(也稱為1/f或閃爍噪聲)和白色噪聲。粉色噪聲主要集中在低頻頻段(低于100Hz左右)，白色噪聲通常限定了芯片的高頻信號性能(圖1)。由于絕大多數(shù)IA用于處理低頻信號，本文更加關注粉色噪聲。
圖1. 半導體器件中的噪聲密度
傳統(tǒng)的低噪聲模擬電路設計通常選用雙極型晶體管設計輸入級電路，特別是在要求較低粉色噪聲的情況下。粉色噪聲是由于半導體表面的缺陷處發(fā)生重組效應引起的。因此，與雙極型器件產(chǎn)生的噪聲相比，CMOS器件的噪聲具有更大幅度和更高的截止頻率(噪聲截止頻率是指粉色噪聲密度與白色噪聲密度相等時的頻率)。
大多數(shù)傳感器選用高阻輸入，迫使IA采用CMOS前端，從而使設計人員必須面對隨之而來的高低頻噪聲。幸運的是，能夠連續(xù)補償輸入失調(diào)電壓的零漂移電路設計技術(shù)可以用來消除低頻輸入粉色噪聲。
一種炙手可熱的新架構(gòu)：三運放與間接電流反饋
傳統(tǒng)IA使用三運放搭建輸入緩沖級和輸出級電路(圖2)。輸入緩沖級電路提供全差分增益、單位共模增益和高阻輸入，差分放大輸出級提供共模增益為零的單位差分增益。這種IA可以用于許多場合，但它的簡單性掩蓋了兩個重要缺點：可用的輸入共模電壓范圍有限，交流CMRR也有限。
圖2. 傳統(tǒng)的三運放IA
基于三運放架構(gòu)的IA其傳輸特性受到一定限制(圖3)。在輸入共模和輸入差分電壓的某種組合下，這種架構(gòu)的緩沖放大器A1和A2很容易飽和，使輸出達到電源電壓。這種狀況下，IA不再抑制輸入共模電壓。
圖3. 不同共模電壓下的有限傳輸特性(高增益，“眼圖”開度縮小)。
由此，大多數(shù)三運放IA的數(shù)據(jù)資料給出了可利用的輸入共模電壓與輸出電壓的關系曲線。因為輸出電壓只是按比例縮放輸入差分電壓，曲線中的兩個軸可以標記為“輸入共模電壓”與“輸入差分電壓”。六邊形灰色區(qū)域代表了“有效”工作區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)放大器A1和A2輸出不會飽和到電源電壓。
值得注意的是：圖3所示的圖形對單電源應用非常關鍵。共模電壓很容易接近電路的地電位，灰色區(qū)域不能延伸到此電位。因此，某些應用中(如低端電流檢測)不能使用傳統(tǒng)的三運放IA，因為它們的輸入共模電壓等于地電位。
三運放IA可以通過差分放大器周圍完全匹配的電阻獲得較高的共模抑制，但這種IA的反饋架構(gòu)會大大降低交流CMRR。為克服這些缺點，業(yè)內(nèi)開發(fā)出了另一種IA架構(gòu)，例如：雙gM間接電流反饋方案(圖4)，獲得了極大地成功。
圖4. 采用間接電流反饋架構(gòu)的IA
這種架構(gòu)由兩個完全一致的跨導放大器和一個高增益放大器組成。兩個完全一致的放大器具有相同的gM，在輸入端可以獲得相同的差分電壓，因此，輸出電壓取決于電阻分壓比Rf/Rg。輸出共模電壓由REF引腳的電壓設定。輸入gM放大器具有固有的共模電壓抑制功能，使放大器具有極高的直流和交流CMRR。
間接電流反饋IA架構(gòu)即使在輸入共模電壓等于負電源電壓時，也能實現(xiàn)滿幅輸出。因此，這種間接電流反饋IA的工作范圍要比三運放IA架構(gòu)寬得多。Maxim的MAX4460/MAX4461/MAX4462和MAX4208/MAX4209即為此類IA產(chǎn)品。
消失調(diào)技術(shù)：捕獲漂移?
IA的兩個重要指標是粉色噪聲(也稱為1/f或閃爍噪聲)和VOS及其隨著溫度、時間產(chǎn)生的漂移。1/f噪聲是一種低頻現(xiàn)象，許多用于實現(xiàn)“零漂移”和消輸入失調(diào)的電路同樣可以消除1/f噪聲。這些技術(shù)包括：采樣放大器、自動調(diào)零放大器、斬波放大器、斬波-穩(wěn)定放大器以及斬波-斬波-穩(wěn)定放大器(如MAX4208)。許多文章中已經(jīng)對這些電路架構(gòu)作出了描述(見參考文獻)，每種架構(gòu)具有不同的可用帶寬、開關噪聲以及消失調(diào)精度。
例如，IA已經(jīng)采用基于飛電容的采樣技術(shù)，以實現(xiàn)輸入失調(diào)電壓的自動校準。然而，用于采樣的輸入級并非真正的高阻結(jié)構(gòu)，所以源阻抗的失配，例如：橋路的不均衡，很容易降低整體系統(tǒng)的精度。
應用
下面介紹兩種IA應用，一種是比例橋電路，另一種是低邊電流檢測放大器。
比例橋克服干擾
比例橋是一種標準的橋測量系統(tǒng)，同樣可提供高精度，而且成本很低。成本低的原因是比例橋不需要高精度基準源驅(qū)動橋和ADC基準輸入，“任意”一款基準源，相對精度不高但具有高ppm/°C，例如電源電壓，即可同時驅(qū)動橋和ADC。
眾所周知，即使?jié)M擺幅輸出運算放大器在驅(qū)動輸出電壓達到電源擺幅數(shù)百毫伏以內(nèi)時也很難保持其最高精度。因此，對于具有高動態(tài)范圍和單極性信號輸入的放大器，有必要將輸出偏置在高于地電位大約250mV左右。偏置電壓驅(qū)動串聯(lián)電阻的一端，需要低阻輸出的緩沖器驅(qū)動，以免引入不必要的增益誤差。為盡量降低輸出誤差，這種單位增益運放緩沖器也應具有低直流失調(diào)和低溫漂特性。
Maxim的IA (例如MAX4208)在小尺寸µMAX®封裝內(nèi)集成了一個高精度零漂移運放緩沖器和兩個gM間接電流反饋IA，其中，緩沖器和簡單的外部分壓電阻(圖5)可以建立穩(wěn)定的偏置參考電壓，與ADC基準成比例關系。緩沖器還能驅(qū)動ADC差分輸入的一端。IA的內(nèi)部斬波-斬波-穩(wěn)定架構(gòu)可以同時消除運放緩沖器以及主(前向)通道和反饋通道gM放大器的粉色噪聲的影響。此外，MAX4208具有關斷模式，非常適合功率敏感應用。
圖5. 驅(qū)動比例橋(MAX4208–MAX4209)
完善的電流檢測
如今，便攜式電子設備對有效功率管理越來越嚴格，這重新引發(fā)了人們對電流檢測放大器的關注。地電位檢測IA可以用作高端電流檢測器，用于存儲器模塊、微處理器核電壓的電流檢測(圖6)，也可以在H橋功率電子轉(zhuǎn)換器反饋路徑中用作低邊電流檢測放大器。這些應用中的電流特別高(有時接近90A)，因此檢測電壓必須非常小才能避免檢流電阻上產(chǎn)生過多的功耗。通常，檢流電阻可以采用電源電感本身的ESR。為精確讀取這個小的檢測電壓，輸入失調(diào)電壓必須遠遠低于需要高精度放大的最小檢流電壓(即最小負載電流)。
圖6. 在計算機應用中檢測大電流(MAX4208)
計算機硬件的核電壓可能在0.9V到1.5V范圍內(nèi)，需要在較低的、不斷變化的共模電壓環(huán)境下測量較小的檢測電壓。類似于MAX4208的低VOS、高CMRR而且是針對單電源應用優(yōu)化的IA非常適合這種應用場合。
結(jié)論
新的應用不斷促進理想的儀表放大器技術(shù)的發(fā)展，目前已有多種架構(gòu)能夠提供極具挑戰(zhàn)的VOS、VOS溫漂以及1/f噪聲指標。了解儀表放大器設計的細微差異，并將設計與實際應用緊密結(jié)合，能夠充分利用芯片工藝的優(yōu)勢。
參考文獻
Thomas Frederiksen, Intuitive IC Op Amps (National Semiconductor Technology Series, 1984).
Horowitz, Paul, & Hill, Winfield, The Art of Electronics (Cambridge University Press, 1989).
Graeme, Jerald, Optimizing Op Amp Performance (McGraw-Hill, 1997).
Huijsing, Johan, Operational Amplifiers—Theory and Design (Kluwer Academic Publishers, 2001).
Nolan, Eric, Moghimi, Reza, "Demystifying Auto-Zero Amplifiers," Analog Dialogue (Analog Devices, Inc., May 2000).
Kugelstadt, Thomas, "Auto-zero amplifiers ease the design of high-precision circuits," TI Analog Applications Journal (2005).
本文來源于Maxim。
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