傳感器的信號調(diào)節(jié)技術

提示

· 通常，斬波放大器更適合用于直流或低頻應用，而自動穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應用。

· 兩種很常見的結(jié)構(gòu)分別用兩只和三只運放構(gòu)成儀表放大器。

· 能量采集為遠方的微處理器或發(fā)射機供電，而不需要局部電源。

· 完整解決方案需要處理傳感器驅(qū)動與輸出需求、采樣速率、信號路徑校準、性能、傳感器診斷、功耗需求等問題。

· 無線傳感器網(wǎng)絡正在改變信息收集的方式，增加物理世界數(shù)據(jù)的數(shù)量與可獲得性。

很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個高增益和有精確性能(接近于dc)的信號調(diào)節(jié)電路。我們評估了現(xiàn)代模擬電路所采用最新傳感器的信號調(diào)節(jié)狀況。

現(xiàn)代傳感器能檢測許多模擬屬性，如溫度、力、壓力、濕度、流動、功率等，并將其轉(zhuǎn)換成一定的電壓、電流、電荷輸出。這些輸出或為阻性模擬信號， 或為純數(shù)字信號， 其大小與對應的環(huán)境激勵成比例。有些傳感器可自行工作； 還有一些則需要提供電源， 通常是電壓源或電流源形式。很多時候， 需要對信號做單獨的調(diào)節(jié)或合并， 才能提供有用的電子輸出信號。本文中，我們來看一些現(xiàn)代模擬電路中用于傳感器信號調(diào)節(jié)的最新技術。隨著對高精密運放需求的不斷增長，自校準架構(gòu)也日益普及，這種架構(gòu)可連續(xù)地校準偏移誤差。Microchip公司首席產(chǎn)品營銷工程師Kevin Tretter發(fā)現(xiàn)，很多領先放大器制造商都用“零漂移”來表示任何的連續(xù)自校準架構(gòu)，無論是自動穩(wěn)零結(jié)構(gòu)，還是斬波穩(wěn)零結(jié)構(gòu)。通常，斬波放大器更適合用于dc或低頻應用，而自動穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應用。

Tretter指出，用于零漂信號調(diào)節(jié)的自動穩(wěn)零架構(gòu)包括一個主放大器和次放大器，主放大器永遠連到輸入端，而次放大器則不斷修正它們自己的偏移，并將偏移修正值應用于主放大器。Microchip公司已在MCP6V01上實現(xiàn)了這種類型的架構(gòu)，其主放大器偏移誤差的修正速度為1萬次/s，從而獲得了Microchip稱之為極低的偏移和失調(diào)漂移。

斬波穩(wěn)零架構(gòu)也使用一只永遠與輸入端相連的大帶寬主放大器， 另外有一個“ 輔助” 放大器， 它使用開關來斬斷輸入信號， 為主放大器提供偏移校正。例如，Microchip的MCP6V11小功率放大器通過斬波動作最大限度地減少了偏移以及偏移相關的誤差。

雖然內(nèi)部工作方式不同，但自動穩(wěn)零和斬波穩(wěn)零放大器都有相同的目標： 盡量減小偏移以及偏移相關的誤差。結(jié)果不僅獲得了低的初始偏移， 而且在各個時間和溫度下也有低的失調(diào)漂移、極好的共模抑制與電源抑制，并消除了1/f ( 頻率相關)噪聲。

斬波架構(gòu)

Analog Devices公司應用工程經(jīng)理Reza Moghimi指出，很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個高增益和有精確性能(接近于dc)的信號調(diào)節(jié)電路。這些傳感器的應用包括精密電子秤、測壓元件與橋式換能器、熱電偶/溫差電堆傳感器的接口，以及精密醫(yī)療儀器。

用于這些傳感器信號調(diào)節(jié)的是非精密放大器， 它們的偏移電壓、失調(diào)漂移電壓， 以及1 / f 噪聲都會造成誤差， 需要軟件或硬件的校正。Moghimi提供了一個采用零漂放大器做高精度信號調(diào)節(jié)的實例。該放大器設計實現(xiàn)了超低偏移電壓與漂移、高開環(huán)增益、高電源抑制比、高共模抑制能力，且無1/f噪聲，設計人員獲得了無需校正的便利。

圖1中的電路是一個單電源精密電子秤， 它使用了AD7791 ，這是一款小功率帶緩沖的24 位Σ - ΔADC ， 還有一只外接的ADA4528- x 零漂放大器。電路已經(jīng)過了ADI的建立與測試，具體說明見參考文獻1， 在10 mV滿量程輸出下，對一個測重元件可產(chǎn)生15.3 位的無噪聲編碼分辨率， 并在從9.5Hz~120Hz的整個輸出數(shù)據(jù)區(qū)間上都能保持良好的性能。

電路中的差分放大器包括兩只低噪聲零漂ADA 4528 放大器，它具有1kHz 時5. 6nV/電壓噪聲密度，0.3μV偏移電壓，0.002μV /失調(diào)電壓漂移，以及分別為158dB和150dB的共模抑制與電源抑制。電路增益等于1+2R1/RG，電容C1、C2與電阻R1、R2并聯(lián)實現(xiàn)的低通濾波器將噪聲帶寬限制到4.3Hz，阻止了進入Σ - Δ ADC 的噪聲量。C5、R3和R4構(gòu)成一個截止頻率為8Hz 的差分濾波器， 用于進一步限制噪聲。C3 、C4 與R3 、R4共同構(gòu)成截止頻率為159Hz的共模濾波器。

另一個高精度小功率信號調(diào)節(jié)的例子是圖2中給出的心電圖電路，也在參考文獻2中有說明。ECG電路必須工作在一個差分dc偏移下，因為電極有半電池電勢。這個過壓的容限通常是±300 mV，但在有些情況下可以為1V或更高。ECG電路中有電源電壓的下降趨勢及存在這個較高半電池電勢，限制了可以加在第一級信號調(diào)節(jié)上的增益。

AD8237架構(gòu)解決這一問題的方法是，從輸出端到REF管腳接一個低頻反相積分器，其擺幅最多為dc偏移，而不是dc偏移與增益的乘積。由于放大器增益加在積分器輸出端，放大級可以施加高增益，并降低對系統(tǒng)其余部分的精度要求。這級放大之后信號路徑中器件的噪聲與偏移誤差對整體精度幾乎沒有貢獻。AD8607雙微功耗儀表運放用于積分、緩沖與電平轉(zhuǎn)換，電源電流為115μA。圖中未顯示應有的去耦部分。

零漂軌至軌輸入與輸出儀表放大器可以工作在最小1.8V 電源電壓， 增益漂移為0.5 ppm / ，而失調(diào)漂移電壓為0.2 μV / 。兩只外接電阻可在1 ~1000 區(qū)間內(nèi)設定增益值。AD 8607 可以滿幅放大共模電壓等于或超出300 mV電源電壓的信號。

應用

Microchip公司的Tretter指出，當斬波穩(wěn)零放大器首次進入市場時，它們具有大開關電流與布局敏感的特性， 使之既難使用成本又高。因此設計者將其局限用于那些性能非常關鍵的應用。自那以后， 工藝技術與硅設計的發(fā)展改善了零漂放大器的可用性， 從而在廣泛的應用中找到了用武之地， 包括醫(yī)療設備、工業(yè)流量儀表、萬用表、高端稱重計， 甚至游戲機等。很多傳感器通常都排列成一種Wheatstone橋結(jié)構(gòu)，如應力規(guī)、RTD(電阻溫度檢測器)和壓力傳感器(圖3)，因為這種電路類型提供了出色的靈敏度。即使在一個Wheatstone橋結(jié)構(gòu)中使用了多只傳感器， 輸出電壓的總變化也相對較小，通常在毫伏區(qū)間。由于信號幅度小，一般需要一個增益級，然后再通過ADC將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。Tretter稱，零漂放大器是這類應用的一個上佳選擇，因為它有高增益和最低的噪聲。

IA設計考慮

Touchstone半導體公司營銷與應用副總裁Adolfo A Garcia指出，當電源電壓低(3V)，并且可選自完備IA(儀表放大器)有限時，設計自己的IA最為簡單直接，只需要了解運放的輸入輸出dc特性與電路結(jié)構(gòu)。構(gòu)建儀表運放有兩種很常見的結(jié)構(gòu)，分別采用兩只和三只運放。

圖4給出了兩種運放結(jié)構(gòu)。當采用單電源軌至軌的小功率運放時，主要的選擇考慮(根據(jù)應用情況)包括：dc特性，如VOS、TCVOS、AVOL(MIN)、IOS、VOH(MIN)和VOL(MAX)，以及ac特性，如放大器輸入相關噪聲與帶寬。最大輸出動態(tài)范圍與應用無關，是實現(xiàn)最高電路性能的關鍵。據(jù)Garcia稱，輸出級能提供最寬動態(tài)范圍的單電源運放是最佳選擇，因為避免了放大器輸出級飽和問題。

注意圖4電路傳輸方程中的基準電壓項(VREF)。為避免AMP1的輸出飽和，儀表放大器的輸出信號的測量必須針對VREF。在一個3 V (或更低電壓)的系統(tǒng)中，如要電路有最大的動態(tài)范圍，并避免輸出級的飽和問題，只要簡單地將VREF設為電源的一半就足夠了。不過Garcia發(fā)現(xiàn)，只有所選運放的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格相對其電源數(shù)據(jù)對稱時，這個方法才是有效的。

在式2中，是IA電路上所加的最大差分輸入電壓。如果所需增益是一個已知的電路參數(shù)，則可以重新排列式中的相應項，以確定為防止輸出級飽和而能給電路施加的最大輸入差分電壓。

為了以最小功率運行，電路中使用的電阻應為100kΩ或更大，具體要看噪聲和帶寬設計方面的考慮。另外要指出的是，運放的VOH(MIN)和VOL(MAX)電壓規(guī)格很大程度上由放大器輸出級負載所決定，因此要注意負載電阻的情況。

有一個實際例子，選擇的是一只TS1002 雙0.6μA運放，構(gòu)造了一個增益為10的雙運放IA，它的工作電源為2.5V。TS1002在100kΩ負載下的VOH(MIN)和VOL(MAX)規(guī)格分別為2.498V和0.001V 。使用式1， VREF等于(2.498V+ 0.001V)/2=1.249V，輸出級被偏置在最大輸出動態(tài)范圍內(nèi)，避免了輸出級飽和。在上述增益10情況下，為避免輸出級飽和而施加的最大差分輸入電壓為：(2.498V+0.001V)/(2×10)，約125mV。