提示

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

· 兩種很常見的結(jié)構(gòu)分別用兩只和三只運(yùn)放構(gòu)成儀表放大器。

· 能量采集為遠(yuǎn)方的微處理器或發(fā)射機(jī)供電，而不需要局部電源。

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

· 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在改變信息收集的方式，增加物理世界數(shù)據(jù)的數(shù)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(diào)節(jié)電路。我們評估了現(xiàn)代模擬電路所采用最新傳感器的信號調(diào)節(jié)狀況。

現(xiàn)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(zhuǎn)換成一定的電壓、電流、電荷輸出。這些輸出或?yàn)樽栊阅M信號， 或?yàn)榧償?shù)字信號， 其大小與對應(yīng)的環(huán)境激勵(lì)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(dú)的調(diào)節(jié)或合并， 才能提供有用的電子輸出信號。本文中，我們來看一些現(xiàn)代模擬電路中用于傳感器信號調(diào)節(jié)的最新技術(shù)。隨著對高精密運(yùn)放需求的不斷增長，自校準(zhǔn)架構(gòu)也日益普及，這種架構(gòu)可連續(xù)地校準(zhǔn)偏移誤差。Microchip公司首席產(chǎn)品營銷工程師Kevin Tretter發(fā)現(xiàn)，很多領(lǐng)先放大器制造商都用“零漂移”來表示任何的連續(xù)自校準(zhǔn)架構(gòu)，無論是自動(dòng)穩(wěn)零結(jié)構(gòu)，還是斬波穩(wěn)零結(jié)構(gòu)。通常，斬波放大器更適合用于dc或低頻應(yīng)用，而自動(dòng)穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應(yīng)用。

Tretter指出，用于零漂信號調(diào)節(jié)的自動(dòng)穩(wěn)零架構(gòu)包括一個(gè)主放大器和次放大器，主放大器永遠(yuǎn)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(yīng)用于主放大器。Microchip公司已在MCP6V01上實(shí)現(xiàn)了這種類型的架構(gòu)，其主放大器偏移誤差的修正速度為1萬次/s，從而獲得了Microchip稱之為極低的偏移和失調(diào)漂移。

斬波穩(wěn)零架構(gòu)也使用一只永遠(yuǎn)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， 它使用開關(guān)來斬?cái)噍斎胄盘枺?為主放大器提供偏移校正。例如，Microchip的MCP6V11小功率放大器通過斬波動(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(nèi)部工作方式不同，但自動(dòng)穩(wěn)零和斬波穩(wěn)零放大器都有相同的目標(biāo)： 盡量減小偏移以及偏移相關(guān)的誤差。結(jié)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(diào)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(gòu)

Analog Devices公司應(yīng)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(diào)節(jié)電路。這些傳感器的應(yīng)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(yī)療儀器。

用于這些傳感器信號調(diào)節(jié)的是非精密放大器， 它們的偏移電壓、失調(diào)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(diào)節(jié)的實(shí)例。該放大器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超低偏移電壓與漂移、高開環(huán)增益、高電源抑制比、高共模抑制能力，且無1/f噪聲，設(shè)計(jì)人員獲得了無需校正的便利。

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)過了ADI的建立與測試，具體說明見參考文獻(xiàn)1， 在10 mV滿量程輸出下，對一個(gè)測重元件可產(chǎn)生15.3 位的無噪聲編碼分辨率， 并在從9.5Hz~120Hz的整個(gè)輸出數(shù)據(jù)區(qū)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(diào)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(xiàn)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(gòu)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(gòu)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(diào)節(jié)的例子是圖2中給出的心電圖電路，也在參考文獻(xiàn)2中有說明。ECG電路必須工作在一個(gè)差分dc偏移下，因?yàn)殡姌O有半電池電勢。這個(gè)過壓的容限通常是±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(diào)節(jié)上的增益。

AD8237架構(gòu)解決這一問題的方法是，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(tǒng)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有貢獻(xiàn)。AD8607雙微功耗儀表運(yùn)放用于積分、緩沖與電平轉(zhuǎn)換，電源電流為115μA。圖中未顯示應(yīng)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(diào)漂移電壓為0.2 μV / 。兩只外接電阻可在1 ~1000 區(qū)間內(nèi)設(shè)定增益值。AD 8607 可以滿幅放大共模電壓等于或超出300 mV電源電壓的信號。

應(yīng)用

Microchip公司的Tretter指出，當(dāng)斬波穩(wěn)零放大器首次進(jìn)入市場時(shí)，它們具有大開關(guān)電流與布局敏感的特性， 使之既難使用成本又高。因此設(shè)計(jì)者將其局限用于那些性能非常關(guān)鍵的應(yīng)用。自那以后， 工藝技術(shù)與硅設(shè)計(jì)的發(fā)展改善了零漂放大器的可用性， 從而在廣泛的應(yīng)用中找到了用武之地， 包括醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)流量儀表、萬用表、高端稱重計(jì)， 甚至游戲機(jī)等。很多傳感器通常都排列成一種Wheatstone橋結(jié)構(gòu)，如應(yīng)力規(guī)、RTD(電阻溫度檢測器)和壓力傳感器(圖3)，因?yàn)檫@種電路類型提供了出色的靈敏度。即使在一個(gè)Wheatstone橋結(jié)構(gòu)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(qū)間。由于信號幅度小，一般需要一個(gè)增益級，然后再通過ADC將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。Tretter稱，零漂放大器是這類應(yīng)用的一個(gè)上佳選擇，因?yàn)樗懈咴鲆婧妥畹偷脑肼暋?/p>

IA設(shè)計(jì)考慮

Touchstone半導(dǎo)體公司營銷與應(yīng)用副總裁Adolfo A Garcia指出，當(dāng)電源電壓低(3V)，并且可選自完備IA(儀表放大器)有限時(shí)，設(shè)計(jì)自己的IA最為簡單直接，只需要了解運(yùn)放的輸入輸出dc特性與電路結(jié)構(gòu)。構(gòu)建儀表運(yùn)放有兩種很常見的結(jié)構(gòu)，分別采用兩只和三只運(yùn)放。

圖4給出了兩種運(yùn)放結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用單電源軌至軌的小功率運(yùn)放時(shí)，主要的選擇考慮(根據(jù)應(yīng)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(yīng)用無關(guān)，是實(shí)現(xiàn)最高電路性能的關(guān)鍵。據(jù)Garcia稱，輸出級能提供最寬動(dòng)態(tài)范圍的單電源運(yùn)放是最佳選擇，因?yàn)楸苊饬朔糯笃鬏敵黾夛柡蛦栴}。

注意圖4電路傳輸方程中的基準(zhǔn)電壓項(xiàng)(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(tǒng)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題，只要簡單地將VREF設(shè)為電源的一半就足夠了。不過Garcia發(fā)現(xiàn)，只有所選運(yùn)放的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格相對其電源數(shù)據(jù)對稱時(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(shù)，則可以重新排列式中的相應(yīng)項(xiàng)，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(yùn)行，電路中使用的電阻應(yīng)為100kΩ或更大，具體要看噪聲和帶寬設(shè)計(jì)方面的考慮。另外要指出的是，運(yùn)放的VOH(MIN)和VOL(MAX)電壓規(guī)格很大程度上由放大器輸出級負(fù)載所決定，因此要注意負(fù)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(yùn)放，構(gòu)造了一個(gè)增益為10的雙運(yùn)放IA，它的工作電源為2.5V。TS1002在100kΩ負(fù)載下的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)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(nèi)，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。