零漂移儀表放大器的傳感器電路優(yōu)化方案 - 全文

　　智能傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國(guó)防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。例如，它在機(jī)器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景，智能傳感器使機(jī)器人具有類(lèi)人的五官和大腦功能，可感知各種現(xiàn)象，完成各種動(dòng)作。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用傳統(tǒng)的傳感器無(wú)法對(duì)某些產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)（例如，黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等）進(jìn)行快速直接測(cè)量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測(cè)量與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過(guò)程中的某些量（如溫度、壓力、流量等）。Cygnus公司生產(chǎn)了一種"葡萄糖手表",其外觀像普通手表一樣，戴上它就能實(shí)現(xiàn)無(wú)疼、無(wú)血、連續(xù)的血糖測(cè)試。"葡萄糖手表"上有一塊涂著試劑的墊子，當(dāng)墊子與皮膚接觸時(shí)，葡萄糖分子就被吸附到墊子上，并與試劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流。傳感器測(cè)量該電流，經(jīng)處理器計(jì)算出與該電流對(duì)應(yīng)的血糖濃度，并以數(shù)字量顯示。

　　因此，模擬傳感器接口變得非常重要，必須在抵？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(méi)有共模抑制；另一級(jí)電路提供共模抑制，但沒(méi)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(kāi)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(méi)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(méi)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。

　　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(chēng)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。

　　高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱(chēng)為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱(chēng)為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出在 “低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類(lèi)工作狀態(tài)。

　　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?chē)钠瑑?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(kāi)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(lèi)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(chēng)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產(chǎn)品的操作系統(tǒng)都將針對(duì)個(gè)別產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)，不僅可使產(chǎn)品的系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，亦可節(jié)省設(shè)計(jì)的研發(fā)成本，及降低產(chǎn)品的耗電性。為了讓Internet走入生活，將PC中數(shù)字技術(shù)嵌入日常生活家電中就成為首要的方案，由于IA屬于消費(fèi)電子產(chǎn)品，而消費(fèi)者對(duì)此種產(chǎn)品的停電或者當(dāng)機(jī)的容忍度相當(dāng)?shù)牡停虼薎A產(chǎn)品的操作系統(tǒng)首重可靠度。

　　IA產(chǎn)品未來(lái)將逐漸取代傳統(tǒng)家電器材，因此一個(gè)家庭將擁有多個(gè)IA產(chǎn)品，而到時(shí)這些IA產(chǎn)品都必須相互連接，才能發(fā)揮綜效，因此未來(lái)則必將形成家庭網(wǎng)絡(luò)。另外，由于IA產(chǎn)品的種類(lèi)功能多元化，必須搭配相關(guān)的電子商務(wù)使用，所以IA與ISP、ICP業(yè)者合作成為一種必然的趨勢(shì)，與其合作也對(duì)開(kāi)拓市場(chǎng)則有加乘的效果，而未來(lái)信息家電皆采用嵌入式操作系統(tǒng)，因此預(yù)設(shè)的門(mén)戶網(wǎng)站可能就是設(shè)備的提供者。[

　　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。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。

　　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(zhuān)門(mén)優(yōu)化過(guò)的IA就非常適合這種應(yīng)用場(chǎng)合。

??????? 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，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)電壓相比必須非常小。

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