傳感器測量通常是將感興趣的物理量轉換成電子電路參數，如電阻和電容，然後再用橋電路對這些參數進行讀取。橋電路產生與溫度
、電源電壓成比例的輸出電壓或電流信號，從而使測量係統針對這些因素的變化進行補償。常用的傳感器包括：

 

 

可以直接產生信號電壓或電流的傳感器不需要用橋電路轉換物理參數。這種傳感器有：熱電偶、基於ECG的醫療儀器以及電源監測電路中測量檢流電阻的電壓等。

 

目前的傳感器應用範圍非常廣泛，從消費類電子(溫度計、壓力計
、GPS係統等)到汽車電子(燃油傳感器、碰撞傳感器
、刹車線路傳感器和車窗防夾控製等)、工業和醫療儀器(閥位檢測、基於溫度的係統校準和報警
、ECG等)。這些工作環境充滿了EMI噪聲、電源諧波、地環路電流和ESDmaichong
，erdaitiqudemubiaoxinhaoquexiangduihenxiao。yinci
，monichuanganqijiekoubiandefeichangfuza，bixuzaiyizhizhexiehuanjingganraodetongshijingquebaochiguigeyaoqiu。weiquebaochanpinchenggongditoufangshichang，chuanganqibixujuyoudichengben

、小尺寸以及低電流(針對電池供電的測量設備)特性。

 

 

係統設計人員喜歡將模擬鏈路保持得盡可能短，希望以此提高信號對外部噪聲的抗幹擾能力(數字電路通常對噪聲不敏感)。傳統設計中，較長的模擬鏈路要求後續電路使用特定的信號處理。例如一級電路提供差分增益，但沒有共模抑製；lingyijidianlutigonggongmoyizhi
，danmeiyouchafenzengyi。shuangdianyuanhegaoyabaifuyouzhuyujiangdiduimonidianludexinzaobiyaoqiu。jiaoduandemonilianluyijiduidandianyuangongdian
、低電壓模擬擺幅的要求迫使人們開發創新的架構
，應對這些設計挑戰。

 

在係統的設計之初就要考慮ADChechuanganqizhijianshifoukeyizhijielianjie。zhezhongzhijielianjiezaimouxieyingyongchanghejuyouhendayoushi。youxieyingyongzhong，zhezhongzhijielianjienenggoujieshengkongjianhegonghao。liru


，gaozubiliqiaokeyicaiyongneizhijizhundeADC，從而省去外部基準。

 

另一方麵，可能需要使用儀表放大器(IA)連接傳感器和ADC，原因是：

 

 

 

教jiao科ke書shu中zhong用yong大da量liang的de篇pian幅fu描miao述shu理li想xiang世shi界jie

，公gong式shi推tui導dao中zhong存cun在zai許xu多duo不bu確que定ding因yin素su，所suo有you問wen題ti都dou用yong一yi個ge答da案an解jie答da。而er為wei了le得de到dao一yi個ge工gong作zuo的de模mo擬ni電dian路lu在zai實shi驗yan室shi進jin行xing的de長chang時shi間jian調tiao試shi更geng能neng說shuo明ming真zhen實shi世shi界jie的de狀zhuang況kuang
，整zheng個ge進jin程cheng的de裏li程cheng碑bei可ke能neng恰qia好hao源yuan於yu一yi次ci轉zhuan折zhe……。

 

使用IA讀取傳感器信號時經常會遇到各種直流誤差問題，主要根源是輸入失調電壓(VOS)的影響。事實上，任何直流誤差源都可以等效為VOS：直流CMRR代表直流VOS隨輸入共模電壓的變化，直流PSRR代表直流VOS隨電源電壓的變化。

 

即使VOS可以在生產過程中可以校準，與初始直流失調相比

，也要更加關注VOS的漂移(隨溫度和時間變化)。這種漂移誤差最好通過芯片內部的有源電路消除。

 

引(yin)起(qi)交(jiao)流(liu)誤(wu)差(cha)的(de)重(zhong)要(yao)根(gen)源(yuan)是(shi)噪(zao)聲(sheng)
，而(er)噪(zao)聲(sheng)是(shi)半(ban)導(dao)體(ti)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)和(he)工(gong)藝(yi)所(suo)固(gu)有(you)的(de)。因(yin)為(wei)大(da)多(duo)數(shu)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)被(bei)高(gao)增(zeng)益(yi)模(mo)塊(kuai)所(suo)放(fang)大(da)，以(yi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)為(wei)參(can)考(kao)的(de)噪(zao)聲(sheng)也(ye)被(bei)同(tong)樣(yang)的(de)增(zeng)益(yi)放(fang)大(da)。噪(zao)聲(sheng)有(you)兩(liang)種(zhong)形(xing)式(shi)：粉色噪聲(也稱為1/f或閃爍噪聲)和白色噪聲。粉色噪聲主要集中在低頻頻段(低於100Hz左右)，白色噪聲通常限定了芯片的高頻信號性能(圖1)。由於絕大多數IA用於處理低頻信號
，本文更加關注粉色噪聲。

 

圖1. 半導體器件中的噪聲密度

 

傳chuan統tong的de低di噪zao聲sheng模mo擬ni電dian路lu設she計ji通tong常chang選xuan用yong雙shuang極ji型xing晶jing體ti管guan設she計ji輸shu入ru級ji電dian路lu，特te別bie是shi在zai要yao求qiu較jiao低di粉fen色se噪zao聲sheng的de情qing況kuang下xia。粉fen色se噪zao聲sheng是shi由you於yu半ban導dao體ti表biao麵mian的de缺que陷xian處chu發fa生sheng重zhong組zu效xiao應ying引yin起qi的de。因yin此ci，與yu雙shuang極ji型xing器qi件jian產chan生sheng的de噪zao聲sheng相xiang比bi，CMOS器件的噪聲具有更大幅度和更高的截止頻率(噪聲截止頻率是指粉色噪聲密度與白色噪聲密度相等時的頻率)。

 

大多數傳感器選用高阻輸入，迫使IA采用CMOSqianduan，congershishejirenyuanbixumianduisuizhierlaidegaodipinzaosheng。xingyundeshi
，nenggoulianxubuchangshurushitiaodianyadelingpiaoyidianlushejijishukeyiyonglaixiaochudipinshurufensezaosheng。

 

 

傳統IA使用三運放搭建輸入緩衝級和輸出級電路(圖2)。輸入緩衝級電路提供全差分增益、單位共模增益和高阻輸入
，差分放大輸出級提供共模增益為零的單位差分增益。這種IA可以用於許多場合，但它的簡單性掩蓋了兩個重要缺點：可用的輸入共模電壓範圍有限
，交流CMRR也有限。

 

圖2. 傳統的三運放IA

 

基於三運放架構的IA其傳輸特性受到一定限製(圖3)。在輸入共模和輸入差分電壓的某種組合下
，這種架構的緩衝放大器A1和A2很容易飽和，使輸出達到電源電壓。這種狀況下
，IA不再抑製輸入共模電壓。

 

圖3. 不同共模電壓下的有限傳輸特性(高增益，“眼圖”開度縮小)。

 

由此，大多數三運放IA的(de)數(shu)據(ju)資(zi)料(liao)給(gei)出(chu)了(le)可(ke)利(li)用(yong)的(de)輸(shu)入(ru)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)與(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)關(guan)係(xi)曲(qu)線(xian)。因(yin)為(wei)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)隻(zhi)是(shi)按(an)比(bi)例(li)縮(suo)放(fang)輸(shu)入(ru)差(cha)分(fen)電(dian)壓(ya)，曲(qu)線(xian)中(zhong)的(de)兩(liang)個(ge)軸(zhou)可(ke)以(yi)標(biao)記(ji)為(wei)“輸入共模電壓”與“輸入差分電壓”。六邊形灰色區域代表了“有效”工作區

，在這個區域內放大器A1和A2輸出不會飽和到電源電壓。

 

值得注意的是：圖3所示的圖形對單電源應用非常關鍵。共模電壓很容易接近電路的地電位，灰色區域不能延伸到此電位。因此，某些應用中(如低端電流檢測)不能使用傳統的三運放IA，因為它們的輸入共模電壓等於地電位。

 

三運放IA可以通過差分放大器周圍完全匹配的電阻獲得較高的共模抑製，但這種IA的反饋架構會大大降低交流CMRR。為克服這些缺點，業內開發出了另一種IA架構，例如：雙gM間接電流反饋方案(圖4)
，獲得了極大地成功。

 

圖4. 采用間接電流反饋架構的IA

 

這種架構由兩個完全一致的跨導放大器和一個高增益放大器組成。兩個完全一致的放大器具有相同的gM，在輸入端可以獲得相同的差分電壓，因此
，輸出電壓取決於電阻分壓比Rf/Rg。輸出共模電壓由REF引腳的電壓設定。輸入gM放大器具有固有的共模電壓抑製功能
，使放大器具有極高的直流和交流CMRR。

 

間接電流反饋IA架構即使在輸入共模電壓等於負電源電壓時，也能實現滿幅輸出。因此，這種間接電流反饋IA的工作範圍要比三運放IA架構寬得多。Maxim的MAX4460/MAX4461/MAX4462和MAX4208/MAX4209即為此類IA產品。

 

 

IA的兩個重要指標是粉色噪聲(也稱為1/f或閃爍噪聲)和VOS及其隨著溫度
、時間產生的漂移。1/f噪聲是一種低頻現象，許多用於實現“零漂移”和消輸入失調的電路同樣可以消除1/f噪聲。這些技術包括：采樣放大器
、自動調零放大器、斬波放大器
、斬波-穩定放大器以及斬波-斬波-穩定放大器(如MAX4208)。許多文章中已經對這些電路架構作出了描述(見參考文獻)，每種架構具有不同的可用帶寬


、開關噪聲以及消失調精度。

 

例如，IA已(yi)經(jing)采(cai)用(yong)基(ji)於(yu)飛(fei)電(dian)容(rong)的(de)采(cai)樣(yang)技(ji)術(shu)，以(yi)實(shi)現(xian)輸(shu)入(ru)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)的(de)自(zi)動(dong)校(xiao)準(zhun)。然(ran)而(er)
，用(yong)於(yu)采(cai)樣(yang)的(de)輸(shu)入(ru)級(ji)並(bing)非(fei)真(zhen)正(zheng)的(de)高(gao)阻(zu)結(jie)構(gou)
，所(suo)以(yi)源(yuan)阻(zu)抗(kang)的(de)失(shi)配(pei)，例(li)如(ru)：橋路的不均衡，很容易降低整體係統的精度。

 

 

下麵介紹兩種IA應用
，一種是比例橋電路，另一種是低邊電流檢測放大器。

 

 

比例橋是一種標準的橋測量係統
，同樣可提供高精度，而且成本很低。成本低的原因是比例橋不需要高精度基準源驅動橋和ADC基準輸入，“任意”一款基準源，相對精度不高但具有高ppm/°C，例如電源電壓，即可同時驅動橋和ADC。

 

眾zhong所suo周zhou知zhi，即ji使shi滿man擺bai幅fu輸shu出chu運yun算suan放fang大da器qi在zai驅qu動dong輸shu出chu電dian壓ya達da到dao電dian源yuan擺bai幅fu數shu百bai毫hao伏fu以yi內nei時shi也ye很hen難nan保bao持chi其qi最zui高gao精jing度du。因yin此ci
，對dui於yu具ju有you高gao動dong態tai範fan圍wei和he單dan極ji性xing信xin號hao輸shu入ru的de放fang大da器qi

，有you必bi要yao將jiang輸shu出chu偏pian置zhi在zai高gao於yu地di電dian位wei大da約yue250mV左(zuo)右(you)。偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)驅(qu)動(dong)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)的(de)一(yi)端(duan)，需(xu)要(yao)低(di)阻(zu)輸(shu)出(chu)的(de)緩(huan)衝(chong)器(qi)驅(qu)動(dong)，以(yi)免(mian)引(yin)入(ru)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)增(zeng)益(yi)誤(wu)差(cha)。為(wei)盡(jin)量(liang)降(jiang)低(di)輸(shu)出(chu)誤(wu)差(cha)，這(zhe)種(zhong)單(dan)位(wei)增(zeng)益(yi)運(yun)放(fang)緩(huan)衝(chong)器(qi)也(ye)應(ying)具(ju)有(you)低(di)直(zhi)流(liu)失(shi)調(tiao)和(he)低(di)溫(wen)漂(piao)特(te)性(xing)。

 

Maxim的IA (例如MAX4208)在小尺寸µMAX®封裝內集成了一個高精度零漂移運放緩衝器和兩個gM間接電流反饋IA
，其中
，緩衝器和簡單的外部分壓電阻(圖5)可以建立穩定的偏置參考電壓，與ADC基準成比例關係。緩衝器還能驅動ADC差分輸入的一端。IA的內部斬波-斬波-穩定架構可以同時消除運放緩衝器以及主(前向)通道和反饋通道gM放大器的粉色噪聲的影響。此外
，MAX4208具有關斷模式，非常適合功率敏感應用。

 

圖5. 驅動比例橋(MAX4208–MAX4209)

 

 

如今，便攜式電子設備對有效功率管理越來越嚴格，這重新引發了人們對電流檢測放大器的關注。地電位檢測IA可以用作高端電流檢測器，用於存儲器模塊
、微處理器核電壓的電流檢測(圖6)，也可以在H橋功率電子轉換器反饋路徑中用作低邊電流檢測放大器。這些應用中的電流特別高(有時接近90A)，因此檢測電壓必須非常小才能避免檢流電阻上產生過多的功耗。通常，檢流電阻可以采用電源電感本身的ESR。為精確讀取這個小的檢測電壓
，輸入失調電壓必須遠遠低於需要高精度放大的最小檢流電壓(即最小負載電流)。

 

圖6. 在計算機應用中檢測大電流(MAX4208)

 

計算機硬件的核電壓可能在0.9V到1.5V範圍內，需要在較低的
、不斷變化的共模電壓環境下測量較小的檢測電壓。類似於MAX4208的低VOS、高CMRR而且是針對單電源應用優化的IA非常適合這種應用場合。

 

 

新的應用不斷促進理想的儀表放大器技術的發展
，目前已有多種架構能夠提供極具挑戰的VOS、VOS溫漂以及1/f噪聲指標。了解儀表放大器設計的細微差異，並將設計與實際應用緊密結合
，能夠充分利用芯片工藝的優勢。

 

 

 

參考文獻

 

Thomas Frederiksen, Intuitive IC Op Amps (National Semiconductor Technology Series, 1984).

 

Horowitz, Paul, & Hill, Winfield, The Art of Electronics (Cambridge University Press, 1989).

 

Graeme, Jerald, Optimizing Op Amp Performance (McGraw-Hill, 1997).

 

Huijsing, Johan, Operational Amplifiers—Theory and Design (Kluwer Academic Publishers, 2001).

 

Nolan, Eric, Moghimi, Reza, "Demystifying Auto-Zero Amplifiers," Analog Dialogue (Analog Devices, Inc., May 2000).

 

Kugelstadt, Thomas, "Auto-zero amplifiers ease the design of high-precision circuits," TI Analog Applications Journal (2005).

 

本文來源於Maxim。