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消掉了传感器测量应变的零漂移仪表放大器(IA)

时间:2019-03-10 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
传感器测量通常将感兴趣的物理现象转换为电子电路参数,例如电阻和电容,然后可以用桥接电路读取。桥电路产生的输出电压或电流信号与温度和电源电压成比例,从而使测量系统能够自我补偿这些变量。传感器示例包括:
1、用于温度传感的热敏电阻
2、用于压力传感的电阻/电容应变计
3、用于方向/位置传感的磁阻传感器

直接产生信号电压或电流的传感器不需要桥接电路来转换物理变量。例子包括热电偶,基于ECG的医疗仪器,以及电源监控电路中电流检测电阻两端的电压。
今天的传感器应用包括消费电子产品(温度计,压力秤,GPS系统),汽车设备(燃料传感器,爆震传感器,制动线传感器,窗口夹点控制),工业和医疗仪器(阀门位置传感,温度 - 基于系统校准和报警,以及ECG)。它们的环境富含EMI噪声,电源谐波,接地回路电流和ESD尖峰,而要提取的感兴趣信号非常小。因此,模拟传感器接口变得不重要,并且必须保持严格的规格,同时拒绝环境现象。为了商业上的成功,它还必须提供低成本,小尺寸和(对于电池供电的仪表)低电源电流。
 
放大或不放大
系统设计人员喜欢保持模拟链短路,以期提高信号对外部噪声现象的免疫力。(数字电路通常不受??噪声影响,但并非总是如此。)过去,冗长的模拟链在连续阶段处理给定的信号处理任务。例如,一级提供差分增益而没有共模抑制,另一级提供无差分增益的共模抑制。双电源和高压电源轨还有助于缓解模拟电路的信噪比限制。对更短的模拟链和单电源,低压模拟电源轨的要求迫使创新架构的发展以应对这些挑战。
系统设计早期出现的一个决定是ADC和传感器是否可以直接连接。在某些应用中,这种直接连接可以节省空间和功率。例如,高阻比率电桥可以使用许多ADC中存在的基本内部参考电压,因此无需外部参考。
 
另一方面,可以使用仪表放大器(IA)将传感器连接到ADC的实质情况:
1、在某些应用中,在其源极放大小模拟信号可以提高整体信噪比,尤其是当传感器距离ADC一定距离时。
2、许多高性能ADC没有高阻抗输入,因此必须由低源阻抗的放大器驱动,以充分利用其规格。在没有用于这种配置的中间放大器的情况下,诸如输入电流尖峰和不匹配的源电阻之类的像差会引入增益误差。
3、外部放大器允许用户优化应用的信号调理(滤波)。
4、IA提供的增益通过简化系统设计约束和降低整体系统成本,改善了传感器和ADC之间的接口。例如,需要昂贵的,分辨率高得多的ADC来读取未读取的传感器信号,而不是放大的传感器信号所需的信号。

低抵消大资产
学校教科书非常擅长描述理想世界。可以导出等式中的所有未知数,并且所有问题都在后面列出了答案。另一方面,现实世界最好通过实验室长时间试图让模拟电路工作来描述,通常是在程序里程碑
即将来临时...... 在使用IA时遇到的各种DC错误来源中读取传感器信号,输入失调电压(V OS)的影响可能是最关键的。实际上,每个其他DC误差源都是根据V OS建模的:DC CMRR表示DC V OS随输入共模电压的变化,DC PSRR表示DC V OS随电源变化的变化电压。
 
即使V OS可以在制造过程中被校准的,V形的漂移OS(相对于温度和时间)是更令人关注的是比初始DC偏移本身。这种漂移误差最好由芯片内的有源电路解决。
 
AC误差的重要来源之一是噪声,这是半导体芯片设计和工艺中固有的。因为大多数传感器信号被高增益块放大,所以输入参考噪声也被相同的增益放大。噪声有两种形式:粉红噪声(也称为1 / f或闪烁噪声)和白噪声。粉红噪声在较低频率(<100Hz左右)时更为关键,白噪声通常决定了更高信号带宽下的芯片性能(图1))。由于大多数IAs处理低频信号,因此本文更仔细地研究了粉红噪声。
 
图1.半导体器件中的噪声密度。
 
在传统的低噪声模拟电路设计中,双极晶体管通常优选用于输入级电路,特别是如果必须达到低水平的粉红噪声。粉红噪声起源于半导体表面上的缺陷位置处的复合效应,因此,CMOS器件噪声倾向于具有比双极器件噪声更大的幅度和更高的转角频率。(粉红噪声密度等于白噪声密度的频率定义为噪声转角频率。)
 
大多数传感器更喜欢高阻抗输入,这迫使在IAs上使用CMOS前端。这反过来似乎使得有必要接受伴随的更高水平的低频噪声。幸运的是,连续抵消输入失调电压的零漂移电路设计技术也倾向于抵消低频输入粉红噪声。

三个运算放大器与间接电流反馈
传统的IA使用三个运算放大器来创建输入缓冲级和输出级(图2)。输入缓冲级提供所有差分增益,单位共模增益和高阻抗输入。差分放大器输出级然后提供具有零共模增益的单位差分增益。该IA在许多应用中运行良好,但其简单性隐藏了两个显着的缺点:可用输入共模电压范围有限,其AC CMRR有限。
 
图2.传统的三运放IA。
 
基于三运放架构的IAs具有限制性传输特性(图3)。它们的架构可以允许缓冲放大器A1和A2的输出在输入共:褪淙氩罘值缪沟哪持肿楹掀诩浔ズ偷降缭垂熘。在这种情况下,IA不再拒绝输入共模电压。

图3.各种共模电压下的有限传输特性(高增益时,“眼”压缩)。
 
因此,大多数运算放大器IAs的数据手册显示了可用输入共模电压与输出电压的关系图。由于输出电压只是输入差分电压的缩放版本,因此该图的两个轴也可以标记为“输入共模电压”和“输入差分电压”。六边形内的灰色区域表示“有效”工作区,其中放大器A1和A2的输出未饱和到电源轨中。
 
请注意,图3图表对单电源应用具有重要意义。共模电压很容易接近电路接地,灰色区域不会延伸到电路接地。某些应用(例如低侧电流检测)不能使用传统的三运放IA,因为输入共模电压等于地电位。
 
三运放IAs通过匹配差分放大器周围的片上电阻实现DC的高共模抑制,但这种IA的反馈架构可能会显着降低AC CMRR。为了克服这个和其他缺点,已经开发了备选的IA架构。例如,2-g M间接电流反馈方法取得了相当大的成功(图4)。

图4. IA的间接电流反馈架构。
 
2 g M架构由两个匹配的跨导放大器和一个高增益放大器组成。由于匹配的放大器具有相同的g M,因此它们在其输入端产生相等的差分电压,因此输出电压由电阻分压比R f / R g决定。输出共模电压由REF引脚的电压设置。由输入g M放大器实现的电压 - 电流转换固有地抑制输入共模电压,从而为放大器提供高DC和AC CMRR。
即使输入共模电压等于负电源轨,间接电流反馈IA架构也可实现全输出电压摆幅。因此,它提供了使用三运放IA架构无法实现的扩展操作范围。


抵消取消技术:抓住漂移?
如上所述,IAs的两个重要规格是粉红噪声(也称为1 / f或闪烁噪声),以及V OS及其漂移(相对于温度和时间)。由于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也消除了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,斩波稳定放大器和斩波稳定放大器。每种架构都提供了可用信号带宽,开关噪声和输入偏移消除的最终精度的不同组合。
例如,基于快速电容器的采样技术已应用于IA,以便自动校正输入偏移电压。但是,由于采样输入并非真正的高阻抗结构,因此源电阻的不匹配会影响最终的系统级精度,例如在某些不平衡电桥中发现的电阻。
 
应用
介绍两种IA应用:比率电桥电路和低端电流检测放大器。
标准电桥测量系统的一种变体是比例电桥,它提供类似的高精度但成本更低。成本较低,因为比例电桥不需要精密参考源来驱动电桥和ADC参考输入。相反,可以使用“自由”但相对不准确且高ppm /°C的参考源(例如电源轨)来驱动桥和ADC。
 
众所周知,即使是具有轨到轨输出的运算放大器也难以保持完全精度,同时将其输出驱动到任意轨道的几百毫伏之内。对于具有高动态范围和单极性信号输入的放大器,因此需要将输出偏置地面250mV左右。该偏置电压驱动电阻链的一端,因此应由低输出阻抗的缓冲器驱动,以避免引入无意的增益误差。为了最大限度地减少输出误差,该单位增益运算放大器缓冲器还应具有低DC偏移和低漂移。
 
IA在小型封装中集成了精密,零漂移运算放大器缓冲器和2 g M间接电流反馈IA。该缓冲器和一个简单的外部电阻分压器(图5)可用于创建与ADC参考电压成比例的稳定偏置参考电压。它还可以驱动差分输入ADC的一个输入。IA的内部斩波器 - 斩波器稳定架构消除了运算放大器缓冲器和主(前向)和反馈路径的g M放大器中的粉红噪声效应。该器件还包括一个关闭模式,可用于功耗敏感的应用。
 
图5.驱动比率电桥
 
做出完美的电流感
当今便携式电子设备对有源电源管理的需求日益增长,这引起了人们对电流检测放大器的兴趣。接地检测IA可用作存储器模块或微处理器的核心电压路径中的高端电流检测放大器(图6),或用作返回路径中的低端电流检测放大器。 H桥电力电子变换器。这些应用中的极高电流(有时接近90A)意味着检测电压必须非常。苑乐辜觳獾缱柚械墓β仕鸷墓。通常,这种检测电阻只是电源电感本身的ESR。要准确读取这些小的检测电压,V OS与需要精确放大的最小感测电压(即最小负载电流)相比,它必须非常小。

图6.感应计算机应用中的高电流
 
计算机硬件中的核心电压可以在0.9V至1.5V之间变化,因此必须在存在低且变化的共模电压的情况下测量小的感测电压。因此,具有低V OS,高CMRR 的MAX4208 以及针对单电源应用优化的架构等IA 非常适用于此目的。