仪表放大器：传感器应用的理想电路

许多工业和医疗应用在存在大共模电压和DC电位的情况下，都使用仪表放大器(INA)来调理小信号。三运算放大器(三运放)INA架构可执行该功能，其中输入级提供高输入阻抗，输出级过滤共模电压并提供差分电压。高阻抗与高共模抑制比的结合是流量传感器、温度传感器、称重装置、心电图(ECG)和血糖仪等众多传感器和生物计量应用的关键。

本文介绍了三运放INA的基础操作，分析了零漂移放大器的优点、RFI输入滤波器、监测传感器健康和可编程增益放大器，并列举了传感器健康监测器和有源屏蔽驱动(active shield guard drive)电路的应用范例。

三运放INA基础操作

INA本身的性质使其适用于调理小信号。其高阻抗与高共模抑制比的结合非常适合传感器应用。通过使用输入级的同相输入可实现高输入阻抗，无需靠任何反馈技巧(见图1)。三运放电路可消除共模电压，并以非常小的误差放大传感器信号，但必须考虑输入共模电压(VCM)和差分电压(VD)，以免使INA的输入级达到饱和。

饱和的输入级可能看似对处理电路是正常的，但实际上却具有灾难性后果。通过使用具有轨到轨输入和输出(RRIO)配置的放大器来提供最大设计余量，有助于避免出现输入级饱和。以下讨论介绍了三运放INA的基本操作，并举例说明了放大器如何处理共模和差分信号。

图1是三运放INA的框图。按照设计，输入被分为共模电压VCM和差分电压VD。其中，VCM定义为两个输入的共用电压，是INA+与INA-之和的平均值，VD定义为INA+与INA-的净差(见式1)。

图1. 三运放INA及其电压节点

式2给出了由于施加共模电压和差分电压而在INA输入引脚上产生的节点电压(INA+、INA-)。

在非饱和模式下，A1和A2的运放在增益设置电阻RG上施加差分电压，产生电流ID：

因此A1和A2的输出电压为：

将式3代入式4可得：

式5仅显示被增益G1放大的差分分量VD/2，共模电压VCM经过具有单位增益的输入级，并在随后被放大器A3的共模抑制抵消。此动作有助于INA将共模信号从所需的差分信号上消除，从而得到我们想要的结果。来自各种传感器的差分信号常常被放大100 - 1000倍，以获得测量所需的灵敏度。例子包括精密称重装置、医疗仪器、惠斯通(Wheatstone)电桥和热电堆传感器等等。

零漂移放大器的优点

无论采用什么工艺技术和架构，所有放大器的输入失调电压都会随温度和时间而变化。制造商会提供关于输入失调电压随温度变化的技术规范(以每摄氏度伏特数表示)。传统放大器的该规范是每摄氏度几微伏至几十微伏。该失调漂移在高精密应用中可能会出问题，且无法在初始制造期间校准。除了随温度变化的漂移，放大器的输入失调电压还会随着时间的推移而漂移，并造成很大的产品寿命误差。由于显而易见的原因，产品数据表不包括关于该漂移的技术规范。

通过连续自我校正失调电压，使漂移随温度和时间的变化降到最小程度，是零漂移放大器的固有特性。有些零漂移放大器对失调电压的校正频率高达每秒10,000次。输入失调电压(VOS)是一个关键参数，且在使用INA来测量传感器信号时还会引起DC误差。零漂移放大器(如ISL2853x和ISL2863x)能够提供5nV/C的极低失调漂移。

零漂移放大器还可消除1/f噪声，或闪烁噪声(见图2)。1/f噪声是由传导通路中的不规则性所引起的低频现象和晶体管内的电流而产生的噪声。这使零漂移放大器成为用于接近DC的低频输入信号(如来自应变仪、压力传感器和热电偶的输出)的理想选择。考虑到零漂移放大器的采样和保持功能将其转变为一个采样数据系统，使其容易产生由于减法误差而引起的混叠和折叠效应，这会造成宽频分量折叠进入基带。但在低频条件下，噪声变化缓慢，所以减去两个连续的噪声样本可实现真正的噪声消除。

图2. 半导体中的噪声密度：从1/f噪声到白噪声

RFI输入滤波器的重要性

无线收发器在便携式应用中的使用增多，已导致电子电路在高频无线电发射器(如蓝牙)附近工作的能力受到更大关注。这就需要进行RF抑制来确保传感器的工作不受干扰。在对电磁干扰(EMI)敏感的应用中，高频RF信号可能在精密放大器的输出端表现为已整流的DC失调。因为精密前端的增益可能达到100或更大，所以一定不能放大在放大器输入端可能存在的任何传导的或辐射的噪声。解决这个问题的一个简单方法是如图3所示，在INA的输入端设置RFI滤波器。

图3. 带RFI输入滤波器的INA的输入级

传感器健康的监测

能够监测传感器随时间推移而产生的任何变化，有助于提高测量系统的稳健性和准确度。在传感器上直接进行测量很有可能影响读数。有一种解决办法是将INA的输入放大器用作高阻抗缓冲器。ISL2853x和ISL2863x仪表放大器允许用户仅为这一目的而操作输入放大器的输出。VA+以差分放大器的非反相输入为参照，而VA-以反相输入为参照。这些具有缓冲的引脚可用于测量输入共模电压，以便提供传感器反馈信息和健康监测。通过在VA+和 VA-上连接两个电阻，可在两个电阻的中点提取具有缓冲的输入共模电压(见图 4)。此电压可发送至模/数转换器(ADC)，用于传感器监测或反馈控制，从而不断提高传感器的精度和准确度。

图4. VA+ 和 VA- 引脚可以对接输入增益级的输出

可编程增益放大器的优点

广泛被接受的一点是，不能使用分立元件来构建精密差分放大器，并获得良好的CMR性能或增益准确度。这是由于用于将运算放大器配置为差分放大器的四个外部电阻的匹配所致。分析表明，电阻公差会造成CMR范围上限高达运算放大器的极限，下限低至-24.17Db2。

集成式解决方案可改善片上电阻匹配，但当用于设置放大器的增益时，仍然存在与外部电阻的绝对匹配问题。片上精密电阻阻值与外部电阻阻值之间的偏差，可能达到20%甚至30%。另一个误差来源是内部和外部电阻之间的热性能差异。内部和外部电阻可能具有相反的温度系数。

可编程增益放大器解决这个问题的途径是使所有电阻均为内部电阻。此类放大器的增益误差(见式6)可能小于1%，并在温度变化条件下具有±0.05%典型值和±0.4%最大值(增益可达500)的调整能力。

Intersil的ISL2853x和ISL2863x系列可编程INA(PGIA)提供单端(ISL2853x)和差分(ISL2863x)输出，并具有三个不同的增益集。每个增益集有九个不同的增益设置，如表1所示。如每列的底部所示，这些增益集适用于特定应用。

传感器健康监测器和有源屏蔽驱动应用范例

传感器健康监测器

桥式传感器使用四个匹配的电阻性元件来构建平衡的差分电路。电桥可以是分立电阻和电阻性传感器的组合，用于四分之一桥、半桥和全桥应用。电桥由位于两个支路上的低噪声、高准确度电压基准源驱动。另两个支路是差分信号，其输出电压变化与被感测环境的变化相似。在桥式电路中，差分信号的共模电压是电桥激发源的“中点”电位电压。例如，在使用+5V基准源作为激发源的单电源系统中，共模电压为+2.5V。

传感器健康监测的概念是跟踪数据采集系统中的电桥阻抗。环境中的变化、随着时间的推移而产生的磨损或发生故障的桥式电阻性元件会使电桥失衡，造成测量误差。由于电桥差分输出共模电压是激发电压的一半，所以可通过测量该共模电压来监测传感器的阻抗健康(见图5)。通过周期性地监测电桥的共模电压，我们能够了解传感器的健康状况。

图5. 传感器健康监测应用电路图

有源屏蔽驱动

远离信号调理电路的传感器在工作时会受到嘈杂环境的影响，从而减小进入放大器的信噪比。差分信号传输和屏蔽电缆是用于减小灵敏信号线路噪声的两种技术。减小仪表放大器无法抑制的噪声(高频噪声或超出供电轨的共模电压电平)可提高测量准确度。屏蔽电缆可提供卓越的信号线路噪声耦合抑制功能。然而，电缆阻抗失配会导致共模误差进入放大器。驱动电缆屏蔽至低阻抗电位可减少阻抗失配。电缆屏蔽通常连接至机壳接地端，因为它是一个非常好的低阻抗点且易于操作。这种做法对双电源应用非常有效，但对单电源放大器，这可能并不总是连接屏蔽的最佳电位电压。

在某些数据采集系统中，传感器信号放大器使用双路供电电压(±2.5V)。将屏蔽连接至模拟接地端(0V)会将屏蔽的共模电压恰好放置于偏置电源中点，亦即放大器CMR性能最佳的位置。随着单路电源放大器(5V)渐渐成为传感器传输文件进行PCB打样放大器的更受欢迎的选择，将屏蔽连接于0V位置的方法目前是连接于放大器的较低电源轨，这通常是CMR性能会出现下降的共模电压。将屏蔽连接至中点供电电压值的共模电压会使放大器以最佳CMR性能工作。

改善屏蔽驱动的另一个解决方案是使用ISL2853x和ISL2863x的VA+和VA-引脚，来感测共模电压并驱动屏蔽至该电压(见图6)。使用VA+和VA-引脚可产生输入共模电压的低阻抗基准源。驱动屏蔽至输入共模电压，可减小电缆阻抗失配和提升单电源传感器应用的CMR性能。对屏蔽驱动电路的进一步缓冲，可使用ISL2853x产品上的附加未使用运算放大器，从而消除对添加外部放大器的需求。

图6. 有源屏蔽应用电路图

结论

仪表放大器是众多传感器的理想电路选择，但是可选择的合适放大器如同被测量的不同传感器传输文件进行PCB打样一样数量庞大。市场上的最新INA已经具有许多优点。用户也一如既往地需要在性能和价格之间进行权衡。如果应用是针对高精密INA，那么ISL2853x 和ISL2863x就是理想的解决方案。

这些放大器提供轨到轨输入和输出，以便既保证最大动态范围又不使输入级达到饱和。它们是提供自动失调电压校正和降噪的零漂移放大器，具有5nV/°C的极低失调电压漂移和低1/F噪声(转角频率降至低于1Hz)。输入端具有用于EMI敏感应用的RFI输入滤波器，同时集成了用于前端增益级和差分第二级的精密匹配电阻，从而提供非常低的增益误差(±0.05%)和卓越的CMR(138dB)。

精密性能使这些放大器非常适合模拟传感器传输文件进行PCB打样前端、仪表和数据采集应用，如需要非常低噪声和高动态范围的称重装置、流量传感器和分流器电流感测。