【经验】差分输出型传感器的信号差分放大电路一般特性分析

时间： 2020-05-15 来源：Amphenol Sensors

差分输出型传感器,NPC-1220,Novasensor,Amphenol Sensors

选择适当的传感器信号放大电路

对于电桥形式的信号输出处理，使用者一般都了解需要选择差分放大。差分放大也有几种类型，比较一下哪一种更加合适。而评估一个放大电路的特性其中很重要的一点就是分析其共模抑制比（CMRR)。

单运放差分放大：现实比理想更骨感

设想中，差分输出为：

之所以带（？），实际电路中一定要考虑传感器电桥本身的输出阻抗，而且该阻值还会随着工况有变化。因此实际输出信号要复杂一些。因为传感器输出阻抗的存在，破坏了放大电路对共模抑制的要求，把输入共模信号也作为有效但是却不受控信号的一部分放大后输出。

所以，这种单运放差分对于电阻型电桥传感器这种输出阻抗较大的信号放大并不适用。关于其特点后面还会提到。

双运放差分

其中:

·为传感器正向信号输入，为传感器负向信号输入，RG为增益电位器，VB为偏置电压

·由虚短接可知，VN1=Vin1, VN2=Vin2

根据图-4，对于理想运放得:

根据以上方程得：

如果R1=R2, R3=R4,则：

该电路中高阻输入端较好地隔离了传感器输出阻抗对电路的影响。但是一方面，电路的第一级同时也放大了输入的共模电压。实际应用中△V=Vin1-Vin2很小(0~100mV)，而共模电压可能达4~5v甚至更高。由方程组的第一个等式可以得到第一级对共模信号及偏置电压的放大输出得：

偏置电压在第一级中的增益为(-R2/R4)，在第二级中的增益为1。如果没有偏置电压VB存在的话，第一级信号放大将很尴尬：或者饱和溢出，或者要花费时间精力核算偏置电压的大小与增益的设置间做一个平衡，不仅如此，还要考虑第二级结果的输出信号范围。

另一方面，电路对于电阻的匹配要求也会相应提高。如果R1和R2，或者R3和R4间的阻值存在差异，输出值将有相应的调整。输出信号中将出现多出项[1-R2R3/(R1R4)]Vin2。其中Vin2实际上与共模电压非常接近。

如果VB=0，输入共模信号Vcm in,△V=Vin1-Vin2=0时，R1=R2，R3=0.99R4，则得共模电压输出：

从上可知，该放大电路的共模抑制对于电阻匹配的敏感度相当高。作为比较，如果电路设定的放大倍数Ad=1时,CMRR=40dB。虽然增加电路的增益可以增加共模抑制比，但是在电阻匹配程度降低，供电电压不很稳定，以及放大倍数有限的情况下，该电路的性能对于测量性能要求高的场合并不太适合，往往一方面设计参数会比较棘手，一方面信号输出中夹带其它成分。如果存在1%对共模信号的放大，将在绝大多数的8位以上的ADC电路中可以检测到至少1~2bit额外的共模信号。没有严格的电阻匹配的情况下，这种电路将会把有效信号和共模信号以及部分单端不对称信号“有效”地混合后输出。

CMRR越高，电路对共模电压的抑制越好，反之共模电压将以某种形式出现在输出信号中。这就是我们一开始就说明要分析放大电路的共模抑制比的原因。

双运放差分放大差分输出：

理想运放下，可得：

从方程可得：

从式-6可见，该电路一方面具有差分线性放大的特点，另一方面，当Vin1=Vin2=VCM 时，放大信号对于共模信号VCM完全抑制，输出的共模差分信号VCM OUT=0,即放大的差分信号(V01-V02)中不包含输入信号中的任何共模成分，甚至与电路中的三个电阻的大小都无关。电路的这个特点给三运放差分放大提供了一个非常好的接口。

在安费诺传感器Novasensor的压力产品中，有几款产品如NPC-1220中几个型号即提供了同样的一个差分放大的工作原理图。用户对于这些产品，可以使用差分输入方式的ADC，或者将差分转换为单独后在输入ADC，或者直接使用以下讨论的三运放/仪表放大的方式即可实现比较完整的信号采集处理。

三运放/仪表差分放大输出：

将图-1中左边电路和图-3结合之后即为典型的三运放结构。

由图-1的结果可得：

设置,R1=R2,R3=R5,R4=R6，将式-6代入式-7可得：

当Vin1=0时：

当Vin2=0时：

根据信号叠加方式分别计算Vo1和Vo2。

当输入共模电压Vcm in=Vin1=Vin2,可由上式得：

从另外一个角度，如果是理想的运放，则因为RG中没有电流，第一级的两个运放自然成了电压跟随器，也同样有式-9的推论，即有放大的差分信号，(V01-V02)=0。因此，图-3中的双运放差分机构对共模信号的抑制特征，对于一个三运放结构的电路依然有效，并且由于运放输出阻抗小的特点，对于第二级放大几乎没有影响。所以，整个电路的共模抑制特性取决于第二级差分放大部分。则共模输出电压VCM_OUT由式-7和式-9得：

由式-10得共模抑制比：

出于比较，这里取第二级的设定增益Ad2(R6=R5=R4=R3)为1时（另外，很多情况下仪表放大器的第二级增益为1），如果R3与其余电阻值相差1%，可得：CMR=1/0.005,即CMRR=46dB。

可见，对于我们所看好的第二级差分放大，还需要有特别的要求，即电阻的匹配和稳定。如果电阻的匹配稍有出入，原本理想情况下无限大的CMRR降到了只有46dB。所以，对于三运放结构的选用独立器件搭建时应该需要慎重，使用仪表放大器对信号而言肯定是一个更好的选择。因为其内部电阻具有良好的匹配。另外，有许多半导体厂家也提供集成式的如图-1(左)的差分运放器件，作为三运放结构的第二级，也是一种候选。

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目录- Sensors Temperature Sensors Pressure Sensors CO2, Humidity & Dust Sensors

型号- DK SERIES,NDP SERIES,NHQ SERIES,AAS-AQS-UNO-RH-CO2,RL40,T5D SERIES,FMA SERIES,GC32,EC95,AB6 SERIES,RL45,GC16,GT SERIES,DKM SERIES,CTP65,M SERIES,UD20,S SERIES,CTP60,RL30,AIT SERIES,GE-1935,TH SERIES,NDL SERIES,3006,MELF,YS4019,RL35,HM SERIES,GE-2102,GE-2103,JS2945,T6715,T6613-X,AAS-AQS-UNO,TM SERIES,R85 SERIES,SM-UART-04L,YSM SERIES,FP10,NPI-15,T6715-X,FP14,NPC-120,HS12SP,NPI-19,B35 SERIES,T6713,BB07,SUF SERIES,NK SERIES,BB05,YS4020,T6703,YSM 4021,YR SERIES,BR16,A-1737,BR14,T6700,BR11,T SERIES,FP07,1403,NHQM,P85 SERIES,ZTP SERIES,JF SERIES,NDK SERIES,JS8741,NPH SERIES,JS8746,R100,JR SERIES,PTSM,MA400,SM-PWM-01C,JB SERIES,1803,BB11,B05 SERIES,T6616,EVAP,YF SERIES,JA SERIES,P100,YD SERIES,YH SERIES,MF65 SERIES,YG SERIES,MA100,JIC SERIES,YB SERIES,B43 SERIES,T9602,NPC-100,YA SERIES,YC SERIES,SC30,CTP100,BR23,T6613,PTD SERIES,PTE SERIES,YM120,HVAC,JTC SERIES,JTR SERIES,MS SERIES,YK SERIES,WTF083B001,P30 SERIES,YL SERIES,YP SERIES,PTA SERIES,PTH SERIES,ND SERIES,B07 SERIES,PTF SERIES,PTO SERIES,P60 SERIES,JM SERIES,YS SERIES,T6600,RL1004,BR32,JS6780,JI SERIES,HS30P,JW SERIES,A1447-A1450,JS SERIES,TP SERIES,JE SERIES,JC SERIES,GE-1856,1703,B14 SERIES,T6615-X,GE SERIES,R65 SERIES,DC95,JYA SERIES,T3000,EVAP A1424,SC50,BR42,A-1266,C100,GE-1923,NPP-301,706 SERIES,2006,NKA SERIES,AS SERIES,B10 SERIES,P25 SERIES,NHQMM,GC11,RL20,CL SERIES,P20 SERIES,GC14,GE-1920,NPC-1220,JP SERIES,P65 SERIES,ES SERIES,CTP85,T6713-X SERIES,BR55,MC65,KU SERIES,TK95,NDM SERIES,R60 SERIES,NDU SERIES,NPC-1210,TC SERIES,JL SERIES,RL14,JD SERIES,RL060628,RL10

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目录- NPA贴片式压力传感器系列 NTC AB6 型 "SC/MC"系列专为医疗设汁 MA100系列 ZTP-148SR系列 ZTP-101T系列 NPC-100系列一次性医疗压力传感器 NPC-1210系列 NPG-1220系列中压传感器 NPI-12卫生型压力传感器、不锈钢介质隔离压力传感器 NPI-15系列电流激励高压、介质隔离压力传感器 NPI-15VC系列电压激励、高压、介质隔离压力传感器 NPI-19系列电流激励、中压、介质隔离压力传感器 NPI-19系列电压激励、中压、介质隔离压力传感器 NPP-301系列贴片封装压力传感器

型号- NPP-301B-700AT,NPC-1001000,NPI-12-101G,MC65F103C,NPP-301A-100AT,NPI-19X-YYYZZ,NPI-15X-YYYZZ,NPI-19J-XXX,B35,ZTP-148SR,NPI-19A-XXX,MC65F103A,NPP-301A-200A,MC65F103B,AB6,NPA-300,NPI-19H-XXX,NPA-700,AB6E8,B43,NPP-301B-200A,NPI-12,NPI-19X-XXXXV,NPI-15,SC30F103W,NPP系列,NPP-301B-200AT,SC30F103V,MA100BF103C,NPI-19,SC30F103A,SC,MA100BF103B,MA100BF103A,NPI-15B-XXX,MA100GG232C,NPI-15C-C00903,NNP301B,NNP301A,MA100GG103CN,NPP-301B-700A,BR16,BR14,BR11,NPC-1210XXXX-YZ,ZTP-101T,NPC-100T,MA100GG103BN,MA100,NPP-301A-100A,NPC-100,NPI-19A-C01864,BR23,P20,P25,AB6B4,MC65F232A,MC,AB6B2,MC系列,NPI-19A-002GV,MA100GG103AN,AB6A8-BR16KA103N,NPI-15VC,NPP-301A-200AT,P30,BR32,NPA-100,NPC-1220XXXX-YZ,NPA-500,SC50F103W,NPP-301B-100A,NPA,NPP-301B-100AT,MC65F502B,NPI-15A-XXX,B05,B07,SC30Y103W,NPI-15J-XXX,NPP,NPP-301A-700A,BR42,NPP-301,MA100GG103B,NPI-19B-XXX,NPI-12-101GH,MA100GG103A,MC65G503B,MA100GG103C,NPC-1220,NPP-301A-700AT,B10,NPI-15H-XXX,B14,NPI-15XXXXXX,NTC AB6,BR55,NPC-1210,SC系列

2018年7月 - AMPHENOL SENSORS - 选型指南代理服务技术支持采购服务

差分输出型传感器的信号差分放大电路一般特性分析

描述- 本文分析了差分输出型传感器的信号差分放大电路的一般特性，比较了单运放差分放大、双运放差分放大单端输出、双运放差分放大差分输出以及三运放/仪表差分放大输出等不同类型的电路。文章详细讨论了每种电路的设计原理、优缺点以及在实际应用中的适用性，特别强调了共模抑制比（CMRR）的重要性，并指出电阻匹配对于提高CMRR至关重要。

型号- NPC-1210,NPC-1220

May 2020 - AMPHENOL SENSORS - 应用笔记或设计指南代理服务技术支持采购服务

Amphenol Sensors(安费诺)/Nova Sensor 压力传感器及敏感元件选型指南

目录- P1300低压硅压力传感器芯片 P1302低压硅压力传感器芯片 P111中压硅压力传感器芯片 P883（5~15000 PSI）硅压力传感器芯片 P1602硅压力传感器芯片 P122 高压硅压力传感器芯片 NPC-100系列一次性医疗压力传感器 NPC-1210系列低压系列固态压力传感器 NPC-1220系列中压传感器 NPH系列固态压力传感器(中低压) NPI-12卫生型压力传感器、不锈钢介质隔离压力传感器 NPI-15VC系列电压激励、高压、介质隔离压力传感器 NPI-15系列电流激励高压、介质隔离压力传感器 NPI-19系列电压激励、中压、介质隔离压力传感器 NPI-19系列电流激励、中压、介质隔离压力传感器 NPI-19低压不锈钢介质隔离压力传感器 NPP-301系列贴片封装压力传感器 NPA贴片式压力传感器 NPR-101系列复杂介质压力传感器 Modus T系列微差压力传感器压力变送器IPT1000/2000系列

型号- NPP-301B-700AT,IPT1000,51243,51245,51003,51244,NPP-301A-100AT,51005,51367,51004,51007,51006,51009,NPI-19X-YYYZZ,51008,51407,51406,NPI-15X-YYYZZ,51409,51408,NPP-301A-200A,NPH-XYYY-ZZ,51010,51012,51254,51011,51253,51013,NPA-300,NPR-101,51137,NPA-700,NPH系列,NPP-301B-200A,NPI-12,NPI-19X-XXXXV,P1602,NPI-15,NPP-301B-200AT,NPI-19,NPA100,NPI-15X-XXXXX,51142,MODUS T,51421,NPI-15X-XXXXXX,51304,51303,NPI-15C-C00903,NPP-301B-700A,51391,NPC-1210XXXX-YZ,51151,51393,51392,51395,NPI-19A-031GH,T10,51394,51031,51397,51399,51313,51433,51314,NPC-100T,51317,51318,NPP-301A-100A,P1302,NPC-100,P1300,51041,51283,NPI-19A-021GH,51282,T20,51045,51322,51046,51445,51324,51444,51323,51326,51325,51328,51327,51329,NPI-19A-002GV,NPI-15VC,NPP-301A-200AT,IPT2000,T30,NPC-1220XXXX-YZ,51298,51331,NPA-500,51330,51333,51299,51332,51335,51334,NPI-19X-XXXXXV,51337,51336,51339,51338,NPP-301B-100A,NPP-301B-100AT,NPA,T系列,P122,P883,NPH,NPI-19A-C01841,NPI-19A-C01840,NPP-301A-700A,T40,51340,NPP-301,51342,51187,51341,NPI-12-101GH,NPI-1,NPC-1220,NPP-301A-700AT,P111,51076,NPC-1210,51114

2018年1月 - AMPHENOL SENSORS - 选型指南代理服务技术支持采购服务

Amphenol Sensors(安费诺传感器)MEMS压力传感器解决方案

描述- Amphenol Advanced Sensors 提供先进的压力传感器解决方案，涵盖医疗、汽车和工业过程行业。其产品包括表面贴装压力传感器、数字气压传感器、低/中/高压传感器和可抛弃医疗压力传感器。这些传感器以其精度、可靠性和尺寸而闻名，适用于呼吸、麻醉、睡眠呼吸暂停、医疗仪器、汽车轮胎压力等多种应用。Amphenol Advanced Sensors 还提供温度、湿度和气体浓度测量解决方案。

型号- NPH,NPI-15,NPC-100,NPC-120,NPI-19,NPP-301,NPC-1210,MEMS,NPA,NOVASENSOR,NPA 201,NPC-1220,NPX1

12/2015 - AMPHENOL SENSORS - 商品及供应商介绍代理服务技术支持采购服务

无源传感器的互换性特点及实现方式

描述- 本文探讨了无源传感器的互换性特点及其实现方式。首先，文章区分了无源器件和有源器件，并强调了产品互换性在规模化生产中的重要性。接着，文章分析了不同互换性对产品替换后的影响，并指出理想情况下应避免电路和固件都需要调整的情况。随后，文章详细介绍了硅压阻压力传感器的互换性实现方式，包括温度系数补偿、零点OFFSET或满量程FSO校准、调整驱动电流的方式标幺化未放大的FSO实现互换性，以及利用增益调整放大输出信号的实现互换性。此外，文章还比较了可互换性NTC与典型NTC输出特性的差异，并强调了选择产品互换性时需考虑应用要求、性价比和供货渠道稳定性。最后，文章总结了安费诺传感器在提供各类无源且互换性优良的传感器方面的优势。

型号- NPC1210,NDL103C1R1,NPI-15VC,NPC-410,NPC-1210,NPI-15,NPI-19VC,NPI-19,NPC-1220

Feb 2020 - AMPHENOL SENSORS - 应用笔记或设计指南代理服务技术支持采购服务

【应用】高精度、体积小的NPC-1220系列中压传感器，用于工业领域气体流量监测

安费诺旗下的NovaSensor生产的NPC-1220系列中压传感器，具有优良的温度特性，温度补偿范围为0~60℃；能将一个增益设置电阻集成在传感器内，使传感器可以互换，具有固态传感器的高可靠性；具有高灵敏度和高精度，适合印刷电路板（ PCB）的封装，可用于工业领域气体流量的监测。

2019-10-05 - 应用方案

安费诺高级解决方案——医疗能力，更好地照顾病人

描述- 本资料详细介绍了Amphenol Advanced Solution在医疗领域，特别是呼吸机组件方面的能力。内容包括各类传感器（压力、温度、氧气等）、印刷电路板、内部和外部连接器、电源系统、热验证解决方案等。资料提供了不同产品的应用范围、产品系列和特性，旨在为医疗设备制造商提供全面的解决方案，以提升患者护理水平。

型号- NPC-1210-XXXG,NPH-XX-D,BLC SERIES,NPA SERIES,NPA-XXX05WD,NPA-XXX05WG,ADCX,NPC-201,SC30,ACPC,AXCA,SGX-VOX,DLV SERIES,PX-10,NPC-XX-D,MLDX,BLVR,PTC SERIES,NPI-19H-XXXGV,NPC-1210-XXXD,ADCA,NPA-XXX-M-XXXG,DLVR,ELV SERIES,ACPC-XX-D,MDCX,NPC-1220-XXXG,NTC SERIES,DLC SERIES,NPA-XX-D,NPC-1220-XXXD,NPI SERIES,PC-16,NPC-1220-G,MLV SERIES,NPH-XX-G,NPC-1220-D,NPA-XXX-M-XXXD

AMPHENOL SENSORS - 应用及方案代理服务技术支持采购服务

Amphenol sensors(安费诺)Nova P111系列中压硅压力传感器晶圆裸片数据手册

描述- NovaSensor的P111压阻式压力传感器采用微型芯片设计，尺寸为0.10英寸x 0.12英寸（2.7毫米x 3.2毫米）。该传感器在1.0mA激励下产生与输入压力成正比的毫伏级输出。提供绝对压力、差分和表计型版本，具有很好的长期稳定性和重复性。

型号- 51010,P111,51012,51011,51007,51006,51008

07/2014 - AMPHENOL SENSORS - 数据手册代理服务技术支持采购服务

【产品】NPC-1220固态压力传感器，宽温度范围下校准的低成本方案，提供定制服务

Amphenol Sensors（安费诺）的NPC-1220系列是基于NovaSensor®先进的SenTable®硅压阻传感技术。最新的硅微机械加工技术被用来将硅阻应变通过离子注入形成所需惠斯通电桥结构。NPC-1220具有优良的温度特性，温度补偿范围为0~60℃。它将一个电流设置电阻集成在传感器内，使传感器可以互换。NPC-1220系列的压力量程为0~5psi，0~100psi。

2019-08-06 - 新产品代理服务技术支持采购服务

Amphenol Sensors（安费诺）NPC-1220系列中压传感器数据手册

描述- NPC-1220系列固态压力传感器的设计提供了用低成本来解决在宽温度范围下校准的方案。NPC-1220的双列直插式封装使它可以直接安装在PCB（印刷电路板）上。可选择的压力接口和引脚结构提供了优良的灵活性，尤其是在压力连接方向要求严格的应用中。

型号- NPC-1220XXXX-YZ,NPC-1220

2018年06月 - AMPHENOL SENSORS - 数据手册代理服务技术支持采购服务

【应用】±0.1%精度、-0.1%FSO~0.1%FSO压力迟滞的压力传感器NPC-1220在地下管道泄漏监测中的应用

在地下管道泄漏监测中，选用的压力传感器需要具备高精度和高灵敏度，确保对地下管道压力的准确监测，一旦发现泄漏情况，及时报警。另一方面，考虑到地下管道复杂的环境，选用的传感器还需具备高度的可靠性。安费诺作为传感器领域的领导者，所研制的世界一流的高性能传感器，以高精度，高可靠性和体积小著称，旗下NovaSensor生产的NPC-1220系列中压传感器，可以用于地下管道泄漏监测中的应用。

2019-08-09 - 应用方案

Amphenol Sensors(安费诺传感器)NPC-1220系列中压力传感器数据手册

描述- 该资料介绍了NPC-1220系列固态压力传感器的技术规格和应用。这些传感器适用于工业自动化、医疗设备等领域，具有±0.1%的精度和温度补偿范围从32°F到140°F（0°C至60°C）。它们采用硅微加工技术在惠斯通电桥配置中植入压阻应变片，提供多种压力范围选项。

型号- NPC-1220-XXXG-XN,NPC-1220,NPC-1220-XXXD-XN

11/2017 - AMPHENOL SENSORS - 数据手册代理服务技术支持采购服务

Amphenol sensors(安费诺)Nova P883系列中高压力硅压力传感器晶圆裸片数据手册

描述- 该资料介绍了Amphenol Advanced Sensors生产的P883型压力传感器芯片。该芯片采用四个压阻式电阻器组成的惠斯通电桥电路，产生与施加压力成正比的差分毫伏输出信号。产品提供绝对或表压（差分）两种型号，具有高灵敏度、良好的过载能力和小的温度滞后性。产品经过100%视觉检查和电学测试。

型号- P883,51340,51342,51341,51322,51343,51324,51588,51621,51323,51326,51325,51589,51328,51405,51327,51329,51591,51590,51331,51330,51333,51332,51335,51334,51337,51336,51339,51338

01/2019 - AMPHENOL SENSORS - 数据手册代理服务技术支持采购服务