一种基于零漂移仪表放大器的传感器电路优化方案

　　传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。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。

　　智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如，它在机器人领域中有着广阔应用前景，智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能，可感知各种现象，完成各种动作。在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如，黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量（如温度、压力、流量等）。Cygnus公司生产了一种"葡萄糖手表",其外观像普通手表一样，戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。"葡萄糖手表"上有一块涂着试剂的垫子，当垫子与皮肤接触时，葡萄糖分子就被吸附到垫子上，并与试剂发生电化学反应，产生电流。传感器测量该电流，经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度，并以数字量显示。

　　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。

　　例如电路提供差分增益，但没有共模抑制；另电路提供共模抑制，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的半导体工艺并不一定是用于制造放大器的工艺。

　　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。

　　也许引起直流误差的重要根源是噪声，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。

　　高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。

　　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。

　　在传统的三运放仪表放大器中，输入缓冲级电路提供了所有的差分增益、单位共模增益和高阻抗输入。

　　基于三个运放架构的IA仅具有有限的传输特性（图2）。在输入共模和输入差分电压的某种组合条件下，这种架构中的缓冲放大器A1和A2的输出很容易达到电源电压轨而饱和。在这种状况下，IA将无法抑制输入共模电压。

　　仪表放大器在不同共模电压处的有限传输特性（在高增益处眼图有所压缩）。

　　因此，大多数三运放IA的数据手册都给出了可用的输入共模电压对输出电压的曲线图。因为输出电压只是按比例缩放的输入差分电压，因此这种图中的两个轴也可标记为“输入共模电压对输入差分电压”。六边形内的灰色区域代表了“有效”工作区，在这个区域内放大器A1和A2的输出不会饱和至电源电压轨。

　　请注意，图2所示的图形对单电源应用有重要的含义。共模电压很容易接近电路地电平，这是灰色区域不能延伸到的地方！因此某些应用（如低边电流检测）不能使用传统的三运放IA，因为它们的输入共模电压等于地电平。

　　三运放IA可以通过匹配差分放大器周围的片内电阻而获得较高的共模抑制性能，但这种IA的反馈架构将大大降低交流CMRR。为克服这些缺点，业界开发出另一种IA架构，例如2gm间接电流反馈方法（图3）。

　　IA的间接电流反馈架构由两个匹配的跨导放大器和一个高增益放大器组成。

　　这种架构由两个匹配的跨导放大器和一个高增益放大器组成。这两个匹配的放大器的gm的相同，在输入端将产生相等的差分电压，因此输出电压取决于电阻分压比Rf/Rg。输出共模电压通过REF引脚上的电压设定。由输入gm放大器实现的电压到电流转换电路天生就能抑制输入共模电压，从而使放大器具有高的直流和交流CMRR。

　　即使输入共模电压等于负电源电压轨，间接电流反馈IA架构也能实现满幅输出电压，因此这种间接电流反馈IA的工作范围要比三运放IA架构宽得多。美信集成产品公司（Maxim）的MAX4460/1/2和MAX4208/9便是这类IA产品。

　　偏移抵消技术：跟随漂移？

　　IA的两个重要指标是粉色噪声（也称为1/f或闪烁噪声）和输入偏移电压及其相对温度和时间的漂移。1/f噪声是一种低频现象，许多用于实现“零漂移”和输入偏移电压抵消的电路技术同样能消除1/f噪声。这些技术包括采样放大器、自动调零放大器、斩波放大器、斩波-稳定放大器以及斩波-斩波-稳定放大器（如MAX4208）。

　　IA产品的操作系统都将针对个别产品来设计，不仅可使产品的系统简单化，亦可节省设计的研发成本，及降低产品的耗电性。为了让Internet走入生活，将PC中数字技术嵌入日常生活家电中就成为首要的方案，由于IA属于消费电子产品，而消费者对此种产品的停电或者当机的容忍度相当的低，因此IA产品的操作系统首重可靠度。

　　IA产品未来将逐渐取代传统家电器材，因此一个家庭将拥有多个IA产品，而到时这些IA产品都必须相互连接，才能发挥综效，因此未来则必将形成家庭网络。另外，由于IA产品的种类功能多元化，必须搭配相关的电子商务使用，所以IA与ISP、ICP业者合作成为一种必然的趋势，与其合作也对开拓市场则有加乘的效果，而未来信息家电皆采用嵌入式操作系统，因此预设的门户网站可能就是设备的提供者。[

　　应用实例

　　下面介绍两种IA应用，一种是比例桥电路，另一种是低边电流检测放大器。

　　1.比例桥

　　比例桥是标准桥测量系统的一个变种，它能提供同样高的，但成本更低。成本低的原因是比例桥不需要用高的参考源驱动桥和ADC参考输入，一个“自由”但相对不高的高ppm/℃参考信号源就可以同时驱动桥和ADC。

　　众所周知，即使具有“轨到轨”输出的运放在驱动其输出到数百毫伏的任一电压轨时也很难保持。因此，对具有高动态范围和单极信号输入的放大器来说，有必要将输出偏置在大于地电平约250mV左右。这种偏置电压需要驱动电阻链的一端，因此必须加入低输出阻抗的缓冲器进行驱动，以免引入不必要的增益误差。为尽量减小输出误差，这种单位增益运放缓冲器也应具有低直流偏移和低漂移特性。

　　MAX4208仪表放大器在小型μMAX封装内集成了一个高的零漂移运放缓冲器和一个2gm的间接电流反馈IA，其中的缓冲器允许用一个简单的外接电阻分压器建立稳定、与ADC参考电压成比例关系的偏置参考电压。IA内部的斩波-斩波-稳定架构可以同时消除主（前向）和反馈通道中运放缓冲器和放大器的粉色噪声效应。此外，MAX4208还具有对功率敏感应用非常有用的断电模式。

　　2.完美的电流检测

　　

　　如今的便携式电子设备对有效功率管理的需求越来越大，这重新引起了人们对电流检测放大器的兴趣。地电平检测IA可以用作存储器模块或微处理器的内核电压路径中的高边电流检测放大器（图4），也可以用作H桥功率电子转换器反馈路径中的低边电流检测放大器。

　　为检测计算机应用中的大电流，可以将地电平检测IA用作内核电压路径中的高边电流检测放大器。

　　这些应用中的电流特别高，因此检测电压必须非常小才能避免在检测电阻上产生过多的功率损失。通常，这个检测电阻可能是电源电感本身的ESR。为读取这个很小的检测电压，输入偏移电压与将被高放大的检测电压相比必须非常小。

　　计算机硬件的内核电压可能在0.9到1.5V范围内变化，因此这种很小的检测电压必须在很低且不断变化的共模电压环境下测量。诸如MAX4208这样具有低VOS、高CMRR且架构针对单电源应用专门优化过的IA就非常适合这种应用场合。