【应用】具有高阻抗与高共模抑制能力，可监测传感器健康状况的仪表放大器

时间： 2018-03-02 来源：RENESAS(世强编辑整理) 作者：馨小喵

技术问答

仪表放大器（INA）被广泛应用在工业与医疗中，用于在大共模电压和直流电势下调节小信号，三运放INA架构在输入级提供高输入阻抗，而输出级滤除共模电压并提供差分电压。具有高共模抑制的高阻抗耦合是许多传感器和生物识别应用的关键，具体包括流量传感器、温度传感器、电子秤、心电图和血糖仪。本白皮书将讨论三运放INA的基础知识，并探讨零漂移放大器、射频干扰（RFI）输入滤波器、监测传感器状态和可编程增益放大器的优点，并具体介绍了监视传感器运行状况的应用。

（一）三运放INA基础

INA的高阻抗与高共模抑制能力是传感器应用的理想选择，三运放电路除去共模电压，以很小的误差放大传感器信号。但是，必须考虑输入共模电压（V_CM）和差分电压（V_D），以避免INA输入级饱和。通常，来自各传感器的差分信号被放大100至1000倍以获得测量所需的灵敏度，例如精密称重秤与医疗仪器等。

图1展示了三运放INA的框图，通过设计，输入被细分为共模电压V_CM和差分电压V_D。其中，V_CM被定义为两个输入共有的电压，是INA+与INA-的平均值，V_D被定义为INA+和INA-的净差。

图1 具有电压节点的三运放INA的框图

（二）零漂移放大器的优点

所有放大器的输入失调电压（VOS），都会随温度和时间而变化，它是使用INA测量传感器信号时直流误差的关键参数。制造商根据每摄氏度的电压提供技术规范，传统放大器把这个规范定在每摄氏度几微伏到几十微伏，这种失调漂移在高精度应用中会存在问题的，且在初始制造期间无法校准。除了温度漂移外，放大器的输入失调电压也会随时间漂移，并可能导致严重错误。零漂移放大器通过不断地自我校正偏移电压来最小化温度漂移和时间漂移，一些零漂移放大器每秒校正偏移量多达10,000次，而比如Intersil ISL2853x和ISL2863x则可提供低至5nV/C的失调漂移。

如图2所示，零漂移放大器还可以消除1/f噪声或闪烁噪声，1/f噪声是由导电路径的不规则性引起的低频现象以及由于晶体管内的电流引起的噪声，这使得零漂移放大器成为接近直流的低频输入信号的理想选择。

图2 半导体中的噪声密度：1/f噪声与白噪声

（三）RFI输入滤波器的重要性

射频抑制可以确保传感器无干扰运行。在EMI的敏感应用中，高频RF信号表现为精密放大器输出端的整流DC偏移，由于精密前端的增益可以达到100或更高，因此保证放大器输入端可能存在的任何传导或辐射噪声不被放大显得至关重要。解决这个问题的一个简单方法就是在INA的输入端加入RFI滤波器，如图3所示。

图3 带有RFI输入滤波器的INA输入级

（四）传感器健康监测

监测传感器随时间的变化有助于提高测量系统的稳健性和准确性，但是直接测量传感器有可能影响读数，一种解决方案是使用INA的输入放大器作为高阻抗缓冲器。ISL2853x和ISL2863x仪表放大器为用户提供操作输入放大器输出的功能，VA+以差分放大器的非反相输入为参考，而VA-以反相输入为参考。这些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和健康监测。通过在VA+和VA-之间连接两个电阻，可在电阻的中点提取具有缓冲的输入共模电压，如图4所示。该电压还可发送到ADC进行传感器监控或反馈控制，从而提高传感器的精度与准确度。

图4 VA+和VA-引脚可以对接输入增益级的输出

接下来具体介绍传感器健康监测的应用。桥式传感器使用四个匹配的电阻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，适用于四分之一桥、半桥和全桥应用。它由两个支路上的低噪声、高精度电压基准驱动，另两条支路是差分信号，其输出电压变化与感测环境的变化类似。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。

传感器健康监测的概念是跟踪数据采集系统内的电桥阻抗。环境的变化、随着时间推移产生的磨损或桥式电阻元件的故障会使电桥失衡，造成测量误差。由于桥差分输出共模电压是激发电压的一半，因此可以通过测量这个共模电压来监测传感器的阻抗健康状况，如图5所示。

图5 传感器健康监视器应用原理

（五）可编程增益放大器（PGIA）的优点

人们普遍认为，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性能或增益精度，这是由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，电阻公差会导致CMR的范围从运放的上限极限值到-24.17Db²。

尽管集成的解决方案改善了片上电阻匹配，但当用于设置放大器的增益时，仍存在与外部电阻绝对匹配的问题，这主要是因为精密电阻与外部电阻阻值的偏差，以及内部和外部电阻之间热性能的差异。PGIA通过将所有电阻器连接在一起可以解决这个问题，这种类型放大器的增益误差可以小于1％，并在温度范围内具有±0.05％典型值和±0.4％最大值。

RENESAS的子公司Intersil的ISL2853x和ISL2863x系列PGIA提供三种不同增益组合的单端（ISL2853x）和差分（ISL2863x）输出，每个增益集有9个不同的增益设置，如图6所示。

图6 可编程增益值

总而言之，仪表放大器是众多传感器应用的首选电路，但是可选择的放大器数量过多，因此用户需要在性能和价格之间进行权衡。如果应用是针对高精度INA，那么ISL2853x和ISL2863x就是理想的解决方案，它们提供轨到轨输入和输出，在保证最大动态范围的同时又不使输入级达到饱和，此外，它们提供自动失调电压校正和降噪功能，具有5nV/°C的极低失调电压漂移和低1/f噪声。

技术顾问：史辰雷

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