如何在對電橋傳感器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時避免陷入困境

　　儀表放大器可以調(diào)理傳感器生成的電信號，從而實(shí)現(xiàn)這些信號的數(shù)字化、存儲或?qū)⑵溆糜诳刂菩盘栆话爿^小，因此，放大器可能需要配置為高增益。另外，信號可能會疊加大共模電壓，也可能疊加較大直流失調(diào)電壓。精密儀表放大器可以提供高增益，選擇性地放大兩個輸入電壓之間的差異，同時抑制兩個輸入中共有的信號。

　　惠斯登電橋是這種情況的經(jīng)典例子，但像生物傳感器一類的原電池具有類似的特性。電橋輸出信號為差分信號，因此，儀表放大器是高精度測量的首選。理想情況下，無負(fù)載電橋輸出為零，但僅當(dāng)所有四個電阻均完全相同時，這種情況方為真。假如有一個以分立式電阻構(gòu)建的電橋，如圖 1 所示。最差情況差分失調(diào) VOS為

　　（1）

　　其中，VEX 為電橋激勵電壓， TOL 為電阻容差（單位為百分比）。

　　圖 1 惠斯登電橋失調(diào)

　　例如，在各元件的容差均為 0.1%且激勵電壓為 5 V 時，差分失調(diào)可以高達(dá)±5 mV。如果需要 400 的增益來實(shí)現(xiàn)所需電橋靈敏度，則放大器輸出端的失調(diào)變成±2 V。假設(shè)放大器由同一電源驅(qū)動，并且其輸出可以軌到軌擺動，則僅電橋失調(diào)就可能消耗掉 80%以上的輸出擺幅。在行業(yè)要求電源電壓越來越小的趨勢下，這個問題只會變得更加糟糕。

　　傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器架構(gòu)（如圖 2 所示）有一個差分增益級，其后為一個減法器，用于移除共模電壓。增益施加于第一級，因此，失調(diào)放大的倍數(shù)與目標(biāo)信號相同。因此，將其移除的唯一方法是在參考（REF）端施加反電壓。這種方法的主要不足在于，如果放大器的第一級已經(jīng)飽和，則調(diào)節(jié) REF 上的電壓并不能更正失調(diào)?？朔@點(diǎn)不足的幾種方法包括：

　　根據(jù)具體情況，以外部電阻對電橋分流，但對于自動化生產(chǎn)來說，這是不現(xiàn)實(shí)的，而且在出廠后是無法調(diào)整的

　　減少第一級增益，通過微調(diào) REF 上的電壓來移除失調(diào)，并再添一個放大器電路以實(shí)現(xiàn)所需增益

　　減少第一級增益，以高分辨率 ADC 完成數(shù)字化輸出，并在軟件中移除失調(diào)

　　后兩種選項(xiàng)還需要考慮最差情況下與原始失調(diào)值的偏差，從而進(jìn)一步減少第一級的最大增益。這些解決方案并不理想，因?yàn)樗鼈冃枰~外的電源、電路板空間或成本，來達(dá)到高 CMRR 和低噪聲的目標(biāo)。另外，交流耦合并不是測量直流或超慢移動信號的一種選擇。

　　圖 2 三運(yùn)放儀表放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　間接電流反饋（ICF）儀表放大器（如AD8237 和 AD8420可在放大之前移除失調(diào)。圖 3 顯示ICF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。

　　圖 3 間接電流反饋儀表放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　該儀表放大器的傳遞函數(shù)在形式上與經(jīng)典三運(yùn)放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)相同，其計(jì)算公式為

　　（2）

　　由于輸入之間的電壓等于反饋（FB）與參考（REF）端子之間的電壓時，放大器的反饋要求可得到滿足，因此，我們可將該公式重寫為

　　（3）

　　這意味著，引入一個等于反饋和參考端子之間失調(diào)的電壓，即使在存在大輸入失調(diào)的情況下，也可將輸出調(diào)整為零伏特。如圖 4 所示，該調(diào)整可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)：從一個簡單的電壓源（如低成本 DAC）或者來自嵌入式微控制器的濾波 PWM 信號，通過電阻 RA 將一個小電流注入反饋節(jié)點(diǎn)。

　　圖 4 帶失調(diào)移除功能的高增益電橋電路