傳感器測(cè)量通常將感興趣的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為電子電路參數(shù)，例如電阻和電容，然后可以用橋接電路讀取。橋電路產(chǎn)生的輸出電壓或電流信號(hào)與溫度和電源電壓成比例，從而使測(cè)量系統(tǒng)能夠自我補(bǔ)償這些變量。傳感器示例包括：
1、用于溫度傳感的熱敏電阻
2、用于壓力傳感的電阻/電容應(yīng)變計(jì)
3、用于方向/位置傳感的磁阻傳感器
3、用于方向/位置傳感的磁阻傳感器
直接產(chǎn)生信號(hào)電壓或電流的傳感器不需要橋接電路來轉(zhuǎn)換物理變量。例子包括熱電偶，基于ECG的醫(yī)療儀器，以及電源監(jiān)控電路中電流檢測(cè)電阻兩端的電壓。
今天的傳感器應(yīng)用包括消費(fèi)電子產(chǎn)品（溫度計(jì)，壓力秤，GPS系統(tǒng)），汽車設(shè)備（燃料傳感器，爆震傳感器，制動(dòng)線傳感器，窗口夾點(diǎn)控制），工業(yè)和醫(yī)療儀器（閥門位置傳感，溫度 - 基于系統(tǒng)校準(zhǔn)和報(bào)警，以及ECG）。它們的環(huán)境富含EMI噪聲，電源諧波，接地回路電流和ESD尖峰，而要提取的感興趣信號(hào)非常小。因此，模擬傳感器接口變得不重要，并且必須保持嚴(yán)格的規(guī)格，同時(shí)拒絕環(huán)境現(xiàn)象。為了商業(yè)上的成功，它還必須提供低成本，小尺寸和（對(duì)于電池供電的儀表）低電源電流。
放大或不放大
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員喜歡保持模擬鏈短路，以期提高信號(hào)對(duì)外部噪聲現(xiàn)象的免疫力。（數(shù)字電路通常不受??噪聲影響，但并非總是如此。）過去，冗長(zhǎng)的模擬鏈在連續(xù)階段處理給定的信號(hào)處理任務(wù)。例如，一級(jí)提供差分增益而沒有共模抑制，另一級(jí)提供無差分增益的共模抑制。雙電源和高壓電源軌還有助于緩解模擬電路的信噪比限制。對(duì)更短的模擬鏈和單電源，低壓模擬電源軌的要求迫使創(chuàng)新架構(gòu)的發(fā)展以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期出現(xiàn)的一個(gè)決定是ADC和傳感器是否可以直接連接。在某些應(yīng)用中，這種直接連接可以節(jié)省空間和功率。例如，高阻比率電橋可以使用許多ADC中存在的基本內(nèi)部參考電壓，因此無需外部參考。
另一方面，可以使用儀表放大器（IA）將傳感器連接到ADC的實(shí)質(zhì)情況：
1、在某些應(yīng)用中，在其源極放大小模擬信號(hào)可以提高整體信噪比，尤其是當(dāng)傳感器距離ADC一定距離時(shí)。
2、許多高性能ADC沒有高阻抗輸入，因此必須由低源阻抗的放大器驅(qū)動(dòng)，以充分利用其規(guī)格。在沒有用于這種配置的中間放大器的情況下，諸如輸入電流尖峰和不匹配的源電阻之類的像差會(huì)引入增益誤差。
3、外部放大器允許用戶優(yōu)化應(yīng)用的信號(hào)調(diào)理（濾波）。
4、IA提供的增益通過簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)約束和降低整體系統(tǒng)成本，改善了傳感器和ADC之間的接口。例如，需要昂貴的，分辨率高得多的ADC來讀取未讀取的傳感器信號(hào)，而不是放大的傳感器信號(hào)所需的信號(hào)。
低抵消大資產(chǎn)
學(xué)校教科書非常擅長(zhǎng)描述理想世界?？梢詫?dǎo)出等式中的所有未知數(shù)，并且所有問題都在后面列出了答案。另一方面，現(xiàn)實(shí)世界最好通過實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)時(shí)間試圖讓模擬電路工作來描述，通常是在程序里程碑
即將來臨時(shí)...... 在使用IA時(shí)遇到的各種DC錯(cuò)誤來源中讀取傳感器信號(hào)，輸入失調(diào)電壓（V OS）的影響可能是最關(guān)鍵的。實(shí)際上，每個(gè)其他DC誤差源都是根據(jù)V OS建模的：DC CMRR表示DC V OS隨輸入共模電壓的變化，DC PSRR表示DC V OS隨電源變化的變化電壓。
即使V OS可以在制造過程中被校準(zhǔn)的，V形的漂移OS（相對(duì)于溫度和時(shí)間）是更令人關(guān)注的是比初始DC偏移本身。這種漂移誤差最好由芯片內(nèi)的有源電路解決。
AC誤差的重要來源之一是噪聲，這是半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)和工藝中固有的。因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳感器信號(hào)被高增益塊放大，所以輸入?yún)⒖荚肼曇脖幌嗤脑鲆娣糯蟆Ｔ肼曈袃煞N形式：粉紅噪聲（也稱為1 / f或閃爍噪聲）和白噪聲。粉紅噪聲在較低頻率（<100Hz左右）時(shí)更為關(guān)鍵，白噪聲通常決定了更高信號(hào)帶寬下的芯片性能（圖1））。由于大多數(shù)IAs處理低頻信號(hào)，因此本文更仔細(xì)地研究了粉紅噪聲。
圖1.半導(dǎo)體器件中的噪聲密度。
在傳統(tǒng)的低噪聲模擬電路設(shè)計(jì)中，雙極晶體管通常優(yōu)選用于輸入級(jí)電路，特別是如果必須達(dá)到低水平的粉紅噪聲。粉紅噪聲起源于半導(dǎo)體表面上的缺陷位置處的復(fù)合效應(yīng)，因此，CMOS器件噪聲傾向于具有比雙極器件噪聲更大的幅度和更高的轉(zhuǎn)角頻率。（粉紅噪聲密度等于白噪聲密度的頻率定義為噪聲轉(zhuǎn)角頻率。）
大多數(shù)傳感器更喜歡高阻抗輸入，這迫使在IAs上使用CMOS前端。這反過來似乎使得有必要接受伴隨的更高水平的低頻噪聲。幸運(yùn)的是，連續(xù)抵消輸入失調(diào)電壓的零漂移電路設(shè)計(jì)技術(shù)也傾向于抵消低頻輸入粉紅噪聲。
三個(gè)運(yùn)算放大器與間接電流反饋
傳統(tǒng)的IA使用三個(gè)運(yùn)算放大器來創(chuàng)建輸入緩沖級(jí)和輸出級(jí)（圖2）。輸入緩沖級(jí)提供所有差分增益，單位共模增益和高阻抗輸入。差分放大器輸出級(jí)然后提供具有零共模增益的單位差分增益。該IA在許多應(yīng)用中運(yùn)行良好，但其簡(jiǎn)單性隱藏了兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)：可用輸入共模電壓范圍有限，其AC CMRR有限。
圖2.傳統(tǒng)的三運(yùn)放IA。
基于三運(yùn)放架構(gòu)的IAs具有限制性傳輸特性（圖3）。它們的架構(gòu)可以允許緩沖放大器A1和A2的輸出在輸入共模和輸入差分電壓的某種組合期間飽和到電源軌中。在這種情況下，IA不再拒絕輸入共模電壓。
圖3.各種共模電壓下的有限傳輸特性（高增益時(shí)，“眼”壓縮）。
因此，大多數(shù)運(yùn)算放大器IAs的數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示了可用輸入共模電壓與輸出電壓的關(guān)系圖。由于輸出電壓只是輸入差分電壓的縮放版本，因此該圖的兩個(gè)軸也可以標(biāo)記為“輸入共模電壓”和“輸入差分電壓”。六邊形內(nèi)的灰色區(qū)域表示“有效”工作區(qū)，其中放大器A1和A2的輸出未飽和到電源軌中。
請(qǐng)注意，圖3圖表對(duì)單電源應(yīng)用具有重要意義。共模電壓很容易接近電路接地，灰色區(qū)域不會(huì)延伸到電路接地。某些應(yīng)用（例如低側(cè)電流檢測(cè)）不能使用傳統(tǒng)的三運(yùn)放IA，因?yàn)檩斎牍材ｋ妷旱扔诘仉娢弧?/span>
三運(yùn)放IAs通過匹配差分放大器周圍的片上電阻實(shí)現(xiàn)DC的高共模抑制，但這種IA的反饋架構(gòu)可能會(huì)顯著降低AC CMRR。為了克服這個(gè)和其他缺點(diǎn)，已經(jīng)開發(fā)了備選的IA架構(gòu)。例如，2-g M間接電流反饋方法取得了相當(dāng)大的成功（圖4）。
圖4. IA的間接電流反饋架構(gòu)。
2 g M架構(gòu)由兩個(gè)匹配的跨導(dǎo)放大器和一個(gè)高增益放大器組成。由于匹配的放大器具有相同的g M，因此它們?cè)谄漭斎攵水a(chǎn)生相等的差分電壓，因此輸出電壓由電阻分壓比R f / R g決定。輸出共模電壓由REF引腳的電壓設(shè)置。由輸入g M放大器實(shí)現(xiàn)的電壓 - 電流轉(zhuǎn)換固有地抑制輸入共模電壓，從而為放大器提供高DC和AC CMRR。
即使輸入共模電壓等于負(fù)電源軌，間接電流反饋IA架構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)全輸出電壓擺幅。因此，它提供了使用三運(yùn)放IA架構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展操作范圍。
抵消取消技術(shù)：抓住漂移？
如上所述，IAs的兩個(gè)重要規(guī)格是粉紅噪聲（也稱為1 / f或閃爍噪聲），以及V OS及其漂移（相對(duì)于溫度和時(shí)間）。由于1 / f噪聲是一種低頻現(xiàn)象，許多用于實(shí)現(xiàn)“零漂移”和輸入偏移電壓抵消的電路技術(shù)也消除了1 / f噪聲。這些技術(shù)包括采樣放大器，自動(dòng)調(diào)零放大器，斬波放大器，斬波穩(wěn)定放大器和斬波穩(wěn)定放大器。每種架構(gòu)都提供了可用信號(hào)帶寬，開關(guān)噪聲和輸入偏移消除的最終精度的不同組合。
例如，基于快速電容器的采樣技術(shù)已應(yīng)用于IA，以便自動(dòng)校正輸入偏移電壓。但是，由于采樣輸入并非真正的高阻抗結(jié)構(gòu)，因此源電阻的不匹配會(huì)影響最終的系統(tǒng)級(jí)精度，例如在某些不平衡電橋中發(fā)現(xiàn)的電阻。
應(yīng)用
介紹兩種IA應(yīng)用：比率電橋電路和低端電流檢測(cè)放大器。
標(biāo)準(zhǔn)電橋測(cè)量系統(tǒng)的一種變體是比例電橋，它提供類似的高精度但成本更低。成本較低，因?yàn)楸壤姌虿恍枰軈⒖荚磥眚?qū)動(dòng)電橋和ADC參考輸入。相反，可以使用“自由”但相對(duì)不準(zhǔn)確且高ppm /°C的參考源（例如電源軌）來驅(qū)動(dòng)橋和ADC。
眾所周知，即使是具有軌到軌輸出的運(yùn)算放大器也難以保持完全精度，同時(shí)將其輸出驅(qū)動(dòng)到任意軌道的幾百毫伏之內(nèi)。對(duì)于具有高動(dòng)態(tài)范圍和單極性信號(hào)輸入的放大器，因此需要將輸出偏置地面250mV左右。該偏置電壓驅(qū)動(dòng)電阻鏈的一端，因此應(yīng)由低輸出阻抗的緩沖器驅(qū)動(dòng)，以避免引入無意的增益誤差。為了最大限度地減少輸出誤差，該單位增益運(yùn)算放大器緩沖器還應(yīng)具有低DC偏移和低漂移。
IA在小型封裝中集成了精密，零漂移運(yùn)算放大器緩沖器和2 g M間接電流反饋IA。該緩沖器和一個(gè)簡(jiǎn)單的外部電阻分壓器（圖5）可用于創(chuàng)建與ADC參考電壓成比例的穩(wěn)定偏置參考電壓。它還可以驅(qū)動(dòng)差分輸入ADC的一個(gè)輸入。IA的內(nèi)部斬波器 - 斬波器穩(wěn)定架構(gòu)消除了運(yùn)算放大器緩沖器和主（前向）和反饋路徑的g M放大器中的粉紅噪聲效應(yīng)。該器件還包括一個(gè)關(guān)閉模式，可用于功耗敏感的應(yīng)用。
圖5.驅(qū)動(dòng)比率電橋
做出完美的電流感
當(dāng)今便攜式電子設(shè)備對(duì)有源電源管理的需求日益增長(zhǎng)，這引起了人們對(duì)電流檢測(cè)放大器的興趣。接地檢測(cè)IA可用作存儲(chǔ)器模塊或微處理器的核心電壓路徑中的高端電流檢測(cè)放大器（圖6），或用作返回路徑中的低端電流檢測(cè)放大器。 H橋電力電子變換器。這些應(yīng)用中的極高電流（有時(shí)接近90A）意味著檢測(cè)電壓必須非常小，以防止檢測(cè)電阻中的功率損耗過大。通常，這種檢測(cè)電阻只是電源電感本身的ESR。要準(zhǔn)確讀取這些小的檢測(cè)電壓，V OS與需要精確放大的最小感測(cè)電壓（即最小負(fù)載電流）相比，它必須非常小。
圖6.感應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的高電流
計(jì)算機(jī)硬件中的核心電壓可以在0.9V至1.5V之間變化，因此必須在存在低且變化的共模電壓的情況下測(cè)量小的感測(cè)電壓。因此，具有低V OS，高CMRR 的MAX4208 以及針對(duì)單電源應(yīng)用優(yōu)化的架構(gòu)等IA 非常適用于此目的。
![[dede:field.shorttitle/]](/uploads/allimg/191202/2-1912021110101N.jpg)
![[dede:field.shorttitle/]](/uploads/allimg/170803/2-1FP31T30H38.jpg)
![[dede:field.shorttitle/]](/uploads/allimg/170612/1H911F58-0-lp.png)
![[dede:field.shorttitle/]](/uploads/allimg/170612/1IH33628-0.jpg)