智能化傳感器中應(yīng)用儀表放大器時應(yīng)注意的問題

1 序言

儀表放大器（ia）由于其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、寬電源供電范圍及小體積等一系列優(yōu)點，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電橋、熱電偶及溫度傳感器的放大電路中得到了廣泛的應(yīng)用，它既能對單端信號又能對差分信號進行放大。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，一般需要實現(xiàn)對多路信號進行數(shù)據(jù)采集，這主要是通過多路開關(guān)來實現(xiàn)對多路信號的切換。實際應(yīng)用中，針對不同的測量對象可以分別選擇單端信號或差分信號的輸入方式來實現(xiàn)對信號的獲取，一般市場上所有的多路信號采集系統(tǒng)基本上都具備這種功能。

差分儀表放大器具有對差分信號進行放大，對共模信號加以抑制的功能，但是并非所有差分信號輸出的場合可以直接使用儀表放大器作為前置信號放大級，具體來說必須考慮到共模信號的大小、差分信號的大小、放大倍數(shù)的選擇、輸入信號的頻率范圍等因素，同時針對輸入信號的具體情況可以選擇單端信號輸入方式或者差分信號輸入方式。下面對儀表放大器在實際應(yīng)用中所涉及到的這些問題分別加以闡述。

2 儀表放大器的結(jié)構(gòu)

儀表放大器一般是由三個放大器和經(jīng)過激光調(diào)阻修正的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖1所示。在傳統(tǒng)的三片運放方式的基礎(chǔ)上做一些改進，內(nèi)部阻值的校準保證用戶只需要外接一個電阻即可實現(xiàn)由1到上萬倍的增益精確設(shè)定，減少了由于增益相關(guān)誤差帶來的數(shù)據(jù)采集誤差，同時這種結(jié)構(gòu)保證其具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，且每一路輸入都有輸入保護電路以避免損壞器件。由于采用激光調(diào)阻，使其具有低失調(diào)電壓、高共模抑制比和低溫漂。

圖1所示為bb（burr brown）公司的ina114、ina118等儀表放大器的結(jié)構(gòu)原理框圖及引腳。在實際應(yīng)用時，正負電源引腳處應(yīng)接濾波電容c，以消除電源帶來的干擾。5腳為輸出參考端，一般接地。實際應(yīng)用中即使5腳對地之間存在很小的電阻值，也將對器件的共模抑制比產(chǎn)生很大的影響，如5歐姆的阻值將導(dǎo)致共模抑制比衰減到80db。

3 應(yīng)用中應(yīng)考慮的問題

3.1 輸入偏置電流回路

一般來說，選擇差分信號測量的工作方式時，后面的信號放大電路一般直接采用儀表放大器構(gòu)成。儀表放大器的輸入阻抗非常高,大約達到1010ω數(shù)量級，相應(yīng)對于差分輸入的每個輸入端都需要輸入偏置電流通道，以提供共模電流反饋回路，例如儀表放大器in118輸入偏置電流大約為±5na。由于儀表放大器的輸入阻抗非常高，使得輸入的偏置電流隨輸入電壓的變化非常小，對差分信號放大不會產(chǎn)生太大影響。輸入偏置電流是儀表放大器（ia）輸入三極管所必須的電流，電路設(shè)計時必須保證偏置電流有接地的回路，如果電路中沒有輸入偏置電流通道，傳感器的輸入將處于浮電位狀態(tài)，而浮電位值很可能超過放大器所能夠允許的共模電壓范圍（其值與放大器的供電電壓相關(guān)），使輸入放大器飽和而失去放大功能。針對實際的應(yīng)用情況，輸入偏置電流回路設(shè)置可以采用三種基本形式，分別如圖2所示。其中(a)為差分信號源阻抗較高時常用的形式，其中的兩個接地電阻相等，以保證較高的共模抑制比和減小偏置電流對失調(diào)的影響；（b）為信號源阻抗較低時采用的形式（如熱電偶）；（c）為對稱結(jié)構(gòu)常用的形式。

從圖2的三種結(jié)構(gòu)可知，在輸入通道設(shè)置偏置回路是通過在差分輸入端與地之間接適當電阻實現(xiàn)的，具體電阻值的大小根據(jù)實際情況而定。

3.2 輸入共模電壓范圍

　　儀表放大器對共模信號有較強的抑制作用，例如ina114，共模抑制比可高達120db，但這是在放大倍數(shù)、輸入共模電壓在一定范圍內(nèi)以及輸入共模電壓的頻率較低的條件下才可以達到的。

　　而所放大的差分信號，是指儀表放大器的兩個輸入端對地所存在的差值。圖3是一個典型的惠斯通電橋應(yīng)用電路，橋路供電電壓為10v，橋臂電阻如圖3中所示。根據(jù)其中的條件可以得到共模電壓值為5v，而差模電壓的大小為0.0144v，經(jīng)過差分ia后輸出為對地的單端信號。其中共模電壓由于ia的高共模抑制比而不能通過，放大的是兩輸入端的差模電壓。儀表放大器抑制的共模信號既可以是交流信號也可以是直流信號，但這是受一定條件限制的，并非任何情況下的共模信號通過時都有同樣的抑制比，選擇時應(yīng)注意相應(yīng)的應(yīng)用范圍。 　　其一，輸入共模電壓的范圍與供電電壓有關(guān)，在輸入共模電壓大約小于供電電壓1.25v左右時，才有較理想的抑制比。一般儀表放大器的供電電壓允許在很大的范圍內(nèi)變化，如ina114，ina118等在±2.25v到±18v內(nèi)都可以使用，在一定的應(yīng)用場合下，如果共模電壓較大時，相應(yīng)儀表放大器要選擇較高的供電電壓才能獲得理想的效果。如圖3中共模電壓為5v，則儀表放大器的電源電壓應(yīng)為6.25v以上，否則不能使用儀表放大器作為前置信號放大級。其主要原因是ia的前面一組放大器a1、a2容易飽和。

　　其二，輸入共模電壓抑制能力與共模電壓的頻率相關(guān)，頻率越高，抑制效果越差。

　　其三，共模電壓的抑制能力與增益大小相關(guān)，在低增益工作段，共模抑制能力較差；1000左右的放大倍數(shù)，共模抑制能力較好。ina114、ina118基本上在1mhz頻率范圍內(nèi)的共模抑制能力都能夠達到80db左右。

　　特別需要注意的是，有時當輸入共模電壓超過其允許的范圍時會出現(xiàn)輸出似乎正常的情況，這主要是由于a1、a2放大器輸出飽和導(dǎo)致a3放大器測得的輸出為零造成的。例如，對于上面提到的ina114，當兩個差分輸入端電壓超過a1、a2的共模輸入所允許的范圍時，將造成共模抑制比急劇下降，共模信號會有輸出，但由于a1、a2飽和，使其輸出電壓相等，最后使整個放大器共模輸出電壓為零，給人們造成似乎正常的錯覺。

3.3 差分放大器的差模放大倍數(shù)

此器件的差模放大倍數(shù)由1、8腳之間的外接電阻rg決定（見圖1），以ina114為例，放大倍數(shù)可按下面公式計算

其中50kw 為放大器a1、a2的反饋電阻之和，并且這兩個電阻都經(jīng)過激光調(diào)阻修正，以保證精度和溫度系數(shù)滿足使用要求。實際上外接增益調(diào)整電阻對放大器的增益精度和溫漂影響較大，必須選擇溫度系數(shù)小的高精度電阻。需要強調(diào)的是，從上述的增益計算公式中可以看出，對小信號放大需要較大增益時，電阻rg值較小，如2000倍的增益對應(yīng)的rg值為25.01歐姆。如果線路中的電阻與之可比擬，則對放大倍數(shù)影響很大，會帶來增益誤差，在某些情況下，甚至造成增益的不穩(wěn)定，影響測量精度。因此對于弱信號比較理想的選擇是采用多級放大的方式，盡量避免使用放大器的高增益段。同時必須注意外接電阻rg實際上是引腳1和8之間的阻抗，為了減小增益誤差應(yīng)避免與rg串聯(lián)較大的寄生電阻。為了減小增益漂移，外接電阻的溫度系數(shù)必須很低。

另外增益的大小與被測信號頻率高低關(guān)系極大。以ina114為例，根據(jù)該器件的增益帶寬積指標，當輸入信號頻率在1khz時，增益大小不能超過1000倍；當輸入信號頻率為10khz時，則增益值不能超過100倍。

3.4 調(diào)零

儀表放大器一般都通過激光調(diào)阻，在通常應(yīng)用情況下，其本身不存在零點的漂移，但是在應(yīng)用傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要對傳感器的信號進行a/d轉(zhuǎn)換，即將傳感器的信號轉(zhuǎn)換為a/d輸入的標準電平，故需要零點調(diào)整。調(diào)整功能的實現(xiàn)是通過改變儀表放大器的參考電壓實現(xiàn)的，放大器a3的實際輸入電壓等于放大器a1、a2放大后的電壓加上參考電壓。在實際應(yīng)用中必須注意參考電壓的獲取，因為參考端對地的阻抗將影響放大器的共模抑制比，理想的情況是選擇低內(nèi)阻的恒壓源作參考電壓。與一般調(diào)零電路不同，這里可以在普通的調(diào)零電路基礎(chǔ)上增加一電壓跟隨器來實現(xiàn)低阻抗的基準電壓源。

對于儀表放大器來說，當負載與信號源系統(tǒng)之間地電位不能精確相等時，通過參考端來調(diào)零將簡化后續(xù)電路。在參考端所加調(diào)零電壓的范圍必須在小于電源電壓2v以內(nèi)，且考慮到獲取最佳的共模抑制比，寄生電阻同樣必須限制到最小值，盡量接近零電阻。因為任何較大的電阻（包括印刷電路布線或其它原因引起的電阻）都將使共模抑制調(diào)整失去平衡。

3.5 輸入方式、輸入保護及前置差分濾波器

1. 輸入方式選擇

如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可用通道數(shù)不影響信號的采集，應(yīng)根據(jù)信號源的特性來選擇輸入方式。如果多路輸入信號存在一公共端（共地），選擇單端輸入方式基本可以滿足要求，否則選擇差分方式。對于選擇差分信號輸入，必須考慮到上面提到的一些問題：共模電壓范圍、工作頻率等，當不滿足上面提到的條件時，應(yīng)選擇其它的放大器作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大級，例如op07系列。

2. 輸入保護

在電路設(shè)計中，還必須考慮到輸入電路的保護。盡管儀表放大器內(nèi)部都有過載保護電路，但它有一定的范圍，而在很多的應(yīng)用場合下，信號源的供電電壓和芯片供電電壓不一致，當信號源（例如傳感器）出現(xiàn)故障時可能引起信號源的電壓直接加在放大器的輸入端，當超過允許范圍時會損壞放大器。不同廠家提供的儀表放大器，保護范圍是不一樣的，bb公司提供的ina11′ 具有40v的對地保護電壓，而ad公司產(chǎn)品保護的范圍要小一些，一般需要設(shè)計外接的保護電路，具體可以參見相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計手冊。 3. 前置差分濾波器

在使用儀表放大器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，當多個信號源的頻帶不一致的時候，差分信號相互之間存在干擾，這時需考慮濾波器的設(shè)計。單端方式輸入時，相關(guān)濾波器的設(shè)計方法介紹較多，可參見相應(yīng)的資料。對于差分輸入存在差分干擾的情況，當干擾信號超過有用信號時，必須考慮設(shè)計差分濾波器。差分濾波器必須滿足差分輸入差分輸出，具有高的共模抑制比及低輸出阻抗。另外使用差分濾波器還可以增加儀表放大器所允許的共模輸入電壓范圍，圖4是一個簡單的由阻容元件構(gòu)成的一階差分濾波器，其中電阻r1=r2，c1=c2。濾波器的頻率特性由rc確定。圖中vdi表示差分輸入信號，vdo表示差分輸出信號，將濾波器看成一四端網(wǎng)絡(luò)，則系統(tǒng)滿足如下關(guān)系：

目前儀器儀表技術(shù)已朝著網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的方向發(fā)展，隨著各種現(xiàn)場總線及總線接口標準的實施，這種趨勢的發(fā)展速度將越來越快，而作為其最底層的傳感器/執(zhí)行器本身的智能化是構(gòu)成這種技術(shù)的基礎(chǔ)。由于儀表放大器本身所具有的優(yōu)越性，使其在傳感器信號處理中得到了廣泛的應(yīng)用，它將有效地減小傳感器信號處理電路所占用的空間，對于構(gòu)成嵌入式智能傳感器有著十分重要的意義。