基于零漂移儀表放大器的傳感器電路優(yōu)化方案

　　傳感器測(cè)量通常是將感興趣的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為電子電路參數(shù)，如電阻和電容，然后再用橋電路進(jìn)行讀取。橋電路再產(chǎn)生與溫度和電源電壓成比例關(guān)系的輸出電壓或電流信號(hào)，從而使測(cè)量系統(tǒng)免受溫度和電源電壓等因素變化的影響。傳感器例子包括：用于溫度檢測(cè)的熱敏電阻、用于壓力檢測(cè)的電阻/電容應(yīng)變儀、 用于方向/位置檢測(cè)的磁阻傳感器。

　　直接可以產(chǎn)生信號(hào)電壓或電流的傳感器不需要用橋電路來(lái)轉(zhuǎn)換物理參數(shù)。這種傳感器例子有熱電偶、基于ECG的醫(yī)療儀器以及電源監(jiān)測(cè)電路中測(cè)量電壓的電流檢測(cè)電阻等。

　　目前的傳感器應(yīng)用范圍廣，從消費(fèi)類電子(溫度計(jì)、壓力計(jì)、GPS系統(tǒng)等)到汽車電子(燃油傳感器、爆震傳感器、剎車線路傳感器和車窗防夾控制等)，工業(yè)和醫(yī)療儀器(閥位置檢測(cè)、基于溫度的系統(tǒng)校準(zhǔn)和心電圖儀等)。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(biāo)信號(hào)卻相對(duì)很小。

　　因此，模擬傳感器接口變得非常重要，必須在抵消這些環(huán)境效應(yīng)的同時(shí)遵守嚴(yán)格的規(guī)范要求。為實(shí)現(xiàn)成功商用，傳感器必須具有低成本、小體積以及低電流(針對(duì)電池供電的測(cè)量設(shè)備)特性。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)師喜歡將模擬鏈路設(shè)計(jì)得盡可能短，希望以此來(lái)提高信號(hào)抗外部噪聲的能力(數(shù)字電路通常對(duì)噪聲不敏感)。過(guò)長(zhǎng)的模擬鏈要求在后續(xù)電路中使用特定的信號(hào)處理電路。

　　例如一級(jí)電路提供差分增益，但沒有共模抑制;另一級(jí)電路提供共模抑制，但沒有差分增益。雙路電源和高電壓軌還有助于減輕對(duì)模擬電路的信噪比要求。對(duì)更短模擬鏈以及單電源、低電壓、模擬電壓軌的要求迫使人們開發(fā)創(chuàng)新的架構(gòu)來(lái)滿足這些挑戰(zhàn)。

　　因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就要作出的一個(gè)決策是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和傳感器之間是否直接連接。這種直接連接在某些應(yīng)用場(chǎng)合具有很大的優(yōu)勢(shì)。

　　例如，高阻比例橋可以采用許多ADC中包含的基本內(nèi)部參考，而且一些現(xiàn)代ADC包含有高阻緩沖器或PGA，它們可以用來(lái)隔離傳感器信號(hào)與加載信號(hào)及ADC采樣電路引起的電流脈沖信號(hào)。

　　但另一方面也存在使用儀表放大器(IA)連接傳感器和ADC的實(shí)際例子，其原因是：

　　1. 在靠近信號(hào)源的地方將小信號(hào)放大可以改善一些應(yīng)用的總信噪比，特別是當(dāng)傳感器不靠近ADC時(shí)。

　　2. 許多高性能ADC沒有高阻抗輸入端，因此需要低源阻抗放大器的驅(qū)動(dòng)才能充分發(fā)揮它們的性能。在這種情況下如果沒有中間放大器，輸入電流尖峰和源阻抗失配等異常情況將帶來(lái)增益誤差。

　　3. 外部放大器能幫助用戶針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化信號(hào)調(diào)節(jié)(濾波)。

　　4. 用于制造ADC的最佳半導(dǎo)體工藝并不一定是用于制造放大器的最佳工藝。

　　5. IA提供的增益使傳感器和ADC之間的接口更加容易，因?yàn)樗粌H可以減輕系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，還能降低總體系統(tǒng)成本。例如，讀取一個(gè)無(wú)增益的傳感器信號(hào)比讀取放大的傳感器信號(hào)需要更高的分辨率和昂貴的ADC。

　　低偏移儀表放大器的好處

　　當(dāng)使用IA讀取傳感器信號(hào)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到各種直流誤差問(wèn)題，主要根源是輸入電壓偏移效應(yīng)。事實(shí)上，引起直流誤差的其它每個(gè)根源都是根據(jù)輸入偏移電壓進(jìn)行建模的，其中直流CMRR代表直流輸入偏移電壓隨輸入共模電壓的變化，直流PSRR代表直流輸入偏移電壓隨電源電壓變化而發(fā)生的改變。

　　即使VOS可以在制造過(guò)程中得到校準(zhǔn)，但輸入偏移電壓(隨溫度和時(shí)間)的漂移要比初始直流偏移本身更重要。這種漂移誤差最好是通過(guò)使用芯片內(nèi)的有源電路來(lái)解決。

　　也許引起直流誤差的最重要根源是噪聲，而噪聲是半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)和工藝中所固有的。因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳感器信號(hào)被高增益模塊所放大，以輸入信號(hào)為參考的噪聲也被放大同樣的增益。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。粉色噪聲在低頻段(小于100Hz左右)更重要，白色噪聲一般決定了信號(hào)帶寬更高的芯片性能。

　　在傳統(tǒng)的低噪聲模擬電路設(shè)計(jì)中通常選用雙極晶體管設(shè)計(jì)輸入級(jí)電路，特別是在必須實(shí)現(xiàn)低的粉色噪聲電平情況下。

　　粉色噪聲是由于半導(dǎo)體表面上的缺陷點(diǎn)處發(fā)生的重組效應(yīng)引起的。因此與雙極器件產(chǎn)生的噪聲相比，CMOS器件的噪聲具有更大的幅度和更高的角頻率。(噪聲角頻率是指粉色噪聲密度與白色噪聲密度相等時(shí)的頻率)

　　大多數(shù)傳感器選用高阻抗輸入，這迫使IA采用CMOS前端，從而使設(shè)計(jì)師必須面對(duì)隨之而來(lái)的更高低頻噪聲電平。幸運(yùn)的是，能夠連續(xù)補(bǔ)償輸入偏移電壓的零漂移電路設(shè)計(jì)技術(shù)可以用來(lái)消除低頻輸入粉色噪聲。

　　流行的新架構(gòu)

　　傳統(tǒng)IA使用三個(gè)運(yùn)放搭建成一個(gè)輸入緩沖級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)電路(圖1)。輸入緩沖級(jí)電路提供全部差分增益、單位共模增益和高阻抗輸入，差分放大器輸出級(jí)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(chǎng)合，但它的簡(jiǎn)單性掩蓋了兩個(gè)重要的缺點(diǎn)：可用的輸入共模電壓范圍有限，交流CMRR也有限。

　　在傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器中，輸入緩沖級(jí)電路提供了所有的差分增益、單位共模增益和高阻抗輸入。

　　基于三個(gè)運(yùn)放架構(gòu)的IA僅具有有限的傳輸特性(圖2)。在輸入共模和輸入差分電壓的某種組合條件下，這種架構(gòu)中的緩沖放大器A1和A2的輸出很容易達(dá)到電源電壓軌而飽和。在這種狀況下，IA將無(wú)法抑制輸入共模電壓。

　　儀表放大器在不同共模電壓處的有限傳輸特性(在高增益處眼圖有所壓縮)。

　　因此，大多數(shù)三運(yùn)放IA的數(shù)據(jù)手冊(cè)都給出了可用的輸入共模電壓對(duì)輸出電壓的曲線圖。因?yàn)檩敵鲭妷褐皇前幢壤s放的輸入差分電壓，因此這種圖中的兩個(gè)軸也可標(biāo)記為“輸入共模電壓對(duì)輸入差分電壓”。六邊形內(nèi)的灰色區(qū)域代表了“有效”工作區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)放大器A1和A2的輸出不會(huì)飽和至電源電壓軌。

　　請(qǐng)注意，圖2所示的圖形對(duì)單電源應(yīng)用有重要的含義。共模電壓很容易接近電路地電平，這是灰色區(qū)域不能延伸到的地方!因此某些應(yīng)用(如低邊電流檢測(cè))不能使用傳統(tǒng)的三運(yùn)放IA，因?yàn)樗鼈兊妮斎牍材ｋ妷旱扔诘仉娖健?/p>

　　三運(yùn)放IA可以通過(guò)匹配差分放大器周圍的片內(nèi)電阻而獲得較高的共模抑制性能，但這種IA的反饋架構(gòu)將大大降低交流CMRR。為克服這些缺點(diǎn)，業(yè)界開發(fā)出另一種IA架構(gòu)，例如2gm間接電流反饋方法(圖3)。

　　IA的間接電流反饋架構(gòu)由兩個(gè)匹配的跨導(dǎo)放大器和一個(gè)高增益放大器組成。

　　這種架構(gòu)由兩個(gè)匹配的跨導(dǎo)放大器和一個(gè)高增益放大器組成。這兩個(gè)匹配的放大器的gm的相同，在輸入端將產(chǎn)生相等的差分電壓，因此輸出電壓取決于電阻分壓比Rf/Rg。輸出共模電壓通過(guò)REF引腳上的電壓設(shè)定。由輸入gm放大器實(shí)現(xiàn)的電壓到電流轉(zhuǎn)換電路天生就能抑制輸入共模電壓，從而使放大器具有高的直流和交流CMRR。

　　即使輸入共模電壓等于負(fù)電源電壓軌，間接電流反饋IA架構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)滿幅輸出電壓，因此這種間接電流反饋IA的工作范圍要比三運(yùn)放IA架構(gòu)寬得多。美信集成產(chǎn)品公司(Maxim)的MAX4460/1/2和MAX4208/9便是這類IA產(chǎn)品

　　偏移抵消技術(shù)：跟隨漂移?

　　IA的兩個(gè)重要指標(biāo)是粉色噪聲(也稱為1/f或閃爍噪聲)和輸入偏移電壓及其相對(duì)溫度和時(shí)間的漂移。1/f噪聲是一種低頻現(xiàn)象，許多用于實(shí)現(xiàn)“零漂移”和輸入偏移電壓抵消的電路技術(shù)同樣能消除1/f噪聲。這些技術(shù)包括采樣放大器、自動(dòng)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)。

　　IA也能采用基于飛跨電容的采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸入偏移電壓的自動(dòng)校正。然而，因?yàn)橛糜诓蓸拥妮斎攵瞬皇钦嬲母咦杩菇Y(jié)構(gòu)，所以源阻抗的失配很容易降低系統(tǒng)級(jí)的精度。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　下面介紹兩種IA應(yīng)用，一種是比例橋電路，另一種是低邊電流檢測(cè)放大器。

　　1.比例橋

　　比例橋是標(biāo)準(zhǔn)橋測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)變種，它能提供同樣高的精度，但成本更低。成本低的原因是比例橋不需要用高精度的參考源驅(qū)動(dòng)橋和ADC參考輸入，一個(gè)“自由”但相對(duì)精度不高的高ppm/℃參考信號(hào)源就可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)橋和ADC。

　　眾所周知，即使具有“軌到軌”輸出的運(yùn)放在驅(qū)動(dòng)其輸出到數(shù)百毫伏的任一電壓軌時(shí)也很難保持最大精度。因此，對(duì)具有高動(dòng)態(tài)范圍和單極信號(hào)輸入的放大器來(lái)說(shuō)，有必要將輸出偏置在大于地電平約250mV左右。這種偏置電壓需要驅(qū)動(dòng)電阻鏈的一端，因此必須加入低輸出阻抗的緩沖器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以免引入不必要的增益誤差。為盡量減小輸出誤差，這種單位增益運(yùn)放緩沖器也應(yīng)具有低直流偏移和低漂移特性。

　　MAX4208儀表放大器在小型μMAX封裝內(nèi)集成了一個(gè)高精度的零漂移運(yùn)放緩沖器和一個(gè)2gm的間接電流反饋IA，其中的緩沖器允許用一個(gè)簡(jiǎn)單的外接電阻分壓器建立穩(wěn)定、與ADC參考電壓成比例關(guān)系的偏置參考電壓。該緩沖器還能驅(qū)動(dòng)差分輸入ADC的一個(gè)輸入端。IA內(nèi)部的斬波-斬波-穩(wěn)定架構(gòu)可以同時(shí)消除主(前向)和反饋通道中運(yùn)放緩沖器和放大器的粉色噪聲效應(yīng)。此外，MAX4208還具有對(duì)功率敏感應(yīng)用非常有用的斷電模式。

　　2.完美的電流檢測(cè)

　　如今的便攜式電子設(shè)備對(duì)有效功率管理的需求越來(lái)越大，這重新引起了人們對(duì)電流檢測(cè)放大器的興趣。地電平檢測(cè)IA可以用作存儲(chǔ)器模塊或微處理器的內(nèi)核電壓路徑中的高邊電流檢測(cè)放大器(圖4)，也可以用作H橋功率電子轉(zhuǎn)換器反饋路徑中的低邊電流檢測(cè)放大器。

　　為檢測(cè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的大電流，可以將地電平檢測(cè)IA用作內(nèi)核電壓路徑中的高邊電流檢測(cè)放大器。

　　這些應(yīng)用中的電流特別高(有時(shí)接近90A)，因此檢測(cè)電壓必須非常小才能避免在檢測(cè)電阻上產(chǎn)生過(guò)多的功率損失。通常，這個(gè)檢測(cè)電阻可能是電源電感本身的ESR。為精確讀取這個(gè)很小的檢測(cè)電壓，輸入偏移電壓與將被高精度放大的最小檢測(cè)電壓(即最小負(fù)載電流)相比必須非常小。

　　計(jì)算機(jī)硬件的內(nèi)核電壓可能在0.9到1.5V范圍內(nèi)變化，因此這種很小的檢測(cè)電壓必須在很低且不斷變化的共模電壓環(huán)境下測(cè)量。諸如MAX4208這樣具有低VOS、高CMRR且架構(gòu)針對(duì)單電源應(yīng)用專門優(yōu)化過(guò)的IA就非常適合這種應(yīng)用場(chǎng)合。