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基于零漂移仪表放大器的传感器电路优化方案

2013年01月10日 ?? 收藏0
  传感器测量通常是将感兴趣的物理现象转换为电子电路参数,如电阻和电容,然后再用桥电路进行读取。桥电路再产生与温度和电源电压成比例关系的输出电压或电流信号,从而使测量系统免受温度和电源电压等因素变化的影响。传感器例子包括:用于温度检测的热敏电阻、用于压力检测的电阻/电容应变仪、 用于方向/位置检测的磁阻传感器。

  直接可以产生信号电压或电流的传感器不需要用桥电路来转换物理参数。这种传感器例子有热电偶、基于ECG的医疗仪器以及电源监测电路中测量电压的电流检测电阻等。

  目前的传感器应用范围广,从消费类电子(温度计、压力计、GPS系统等)到汽车电子(燃油传感器、爆震传感器、刹车线路传感器和车窗防夹控制等),工业和医疗仪器(阀位置检测、基于温度的系统校准和心电图仪等)。这些工作环境充满了EMI噪声、电源谐波、地环路电流和ESD脉冲,而待提取的目标信号却相对很小。

  因此,模拟传感器接口变得非常重要,必须在抵?这些环境效应的同时遵守严格的规范要求。为实现成功商用,传感器必须具有低成本、小体积以及低电流(针对电池供电的测量设备)特性。

  系统设计师喜欢将模拟链路设计得尽可能短,希望以此来提高信号抗外部噪声的能力(数字电路通常对噪声不敏感)。过长的模拟链要求在后续电路中使用特定的信号处理电路。

  例如一级电路提供差分增益,但没有共模抑制;另一级电路提供共模抑制,但没有差分增益。双路电源和高电压轨还有助于减轻对模拟电路的信噪比要求。对更短模拟链以及单电源、低电压、模拟电压轨的要求迫使人们开发创新的架构来满足这些挑战。

  因此,在系统设计之初就要作出的一个决策是模数转换器(ADC)和传感器之间是否直接连接。这种直接连接在某些应用场合具有很大的优势。

  例如,高阻比例桥可以采用许多ADC中包含的基本内部参考,而且一些现代ADC包含有高阻缓冲器或PGA,它们可以用来隔离传感器信号与加载信号及ADC采样电路引起的电流脉冲信号。

  但另一方面也存在使用仪表放大器(IA)连接传感器和ADC的实际例子,其原因是:

  1. 在靠近信号源的地方将小信号放大可以改善一些应用的总信噪比,特别是当传感器不靠近ADC时。

  2. 许多高性能ADC没有高阻抗输入端,因此需要低源阻抗放大器的驱动才能充分发挥它们的性能。在这种情况下如果没有中间放大器,输入电流尖峰和源阻抗失配等异常情况将带来增益误差。

  3. 外部放大器能帮助用户针对应用优化信号调节(滤波)。

  4. 用于制造ADC的最佳半导体工艺并不一定是用于制造放大器的最佳工艺。

  5. IA提供的增益使传感器和ADC之间的接口更加容易,因为它不仅可以减轻系统设计压力,还能降低总体系统成本。例如,读取一个无增益的传感器信号比读取放大的传感器信号需要更高的分辨率和昂贵的ADC。

  低偏移仪表放大器的好处

  当使用IA读取传感器信号时经常会遇到各种直流误差问题,主要根源是输入电压偏移效应。事实上,引起直流误差的其它每个根源都是根据输入偏移电压进行建模的,其中直流CMRR代表直流输入偏移电压随输入共模电压的变化,直流PSRR代表直流输入偏移电压随电源电压变化而发生的改变。

  即使VOS可以在制造过程中得到校准,但输入偏移电压(随温度和时间)的漂移要比初始直流偏移本身更重要。这种漂移误差最好是通过使用芯片内的有源电路来解决。

  也许引起直流误差的最重要根源是噪声,而噪声是半导体芯片设计和工艺中所固有的。因为大多数传感器信号被高增益模块所放大,以输入信号为参考的噪声也被放大同样的增益。噪声有两种形式:粉色噪声(也称为1/f或闪烁噪声)和白色噪声。粉色噪声在低频段(小于100Hz左右)更重要,白色噪声一般决定了信号带宽更高的芯片性能。

  在传统的低噪声模拟电路设计中通常选用双极晶体管设计输入级电路,特别是在必须实现低的粉色噪声电平情况下。

  粉色噪声是由于半导体表面上的缺陷点处发生的重组效应引起的。因此与双极器件产生的噪声相比,CMOS器件的噪声具有更大的幅度和更高的角频率。(噪声角频率是指粉色噪声密度与白色噪声密度相等时的频率)

  大多数传感器选用高阻抗输入,这迫使IA采用CMOS前端,从而使设计师必须面对随之而来的更高低频噪声电平。幸运的是,能够连续补偿输入偏移电压的零漂移电路设计技术可以用来消除低频输入粉色噪声。

  流行的新架构

  传统IA使用三个运放搭建成一个输入缓冲级和一个输出级电路(图1)。输入缓冲级电路提供全部差分增益、单位共模增益和高阻抗输入,差分放大器输出级提供共模增益为零的单位差分增益。这种IA可以用于许多场合,但它的简单性掩盖了两个重要的缺点:可用的输入共模电压范围有限,交流CMRR也有限。

基于零漂移仪表放大器的传感器电路优化方案

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三运放IA? 电压偏移? 传感器电路? 零漂移仪表放大器?

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