应用笔记 4437

利用零漂移仪表放大器(IA)应对传感器测量的设计挑战


摘要 : 本文阐述了仪表放大器(IA)在传感器应用中的使用,重点讨论了系统设计所面临的挑战以及实施方案选择,介绍了一种新的集成电路IA架构,并列举了一些典型应用,例如:比例桥、低端电流检测等。

类似文章发表于2008年2月28日的Electronic Design。

传感器测量通常是将感兴趣的物理量转换成电子电路参数,如电阻和电容,然后再用桥电路对这些参数进行读取。桥电路产生与温度、电源电压成比例的输出电压或电流信号,从而使测量系统针对这些因素的变化进行补偿。常用的传感器包括:
  • 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
可以直接产生信号电压或电流的传感器不需要用桥电路转换物理参数。这种传感器有:热电偶、基于ECG的医疗仪器以及电源监测电路中测量检流电阻的电压等。

目前的传感器应用范围非常广泛,从消费类电子(温度计、压力计、GPS系统等)到汽车电子(燃油传感器、碰撞传感器、刹车线路传感器和车窗防夹控制等)、工业和医疗仪器(阀位检测、基于温度的系统校准和报警、ECG等)。这些工作环境充满了EMI噪声、电源谐波、地环路电流和ESD脉冲,而待提取的目标信号却相对很小。因此,模拟传感器接口变得非常复杂,必须在抑制这些环境干扰的同时精确保持规格要求。为确保产品成功地投放市场,传感器必须具有低成本、小尺寸以及低电流(针对电池供电的测量设备)特性。

是否放大信号

系统设计人员喜欢将模拟链路保持得尽可能短,希望以此提高信号对外部噪声的抗干扰能力(数字电路通常对噪声不敏感)。传统设计中,较长的模拟链路要求后续电路使用特定的信号处理。例如一级电路提供差分增益,但没有共模抑制;另一级电路提供共模抑制,但没有差分增益。双电源和高压摆幅有助于降低对模拟电路的信噪比要求。较短的模拟链路以及对单电源供电、低电压模拟摆幅的要求迫使人们开发创新的架构,应对这些设计挑战。

在系统的设计之初就要考虑ADC和传感器之间是否可以直接连接。这种直接连接在某些应用场合具有很大优势。有些应用中,这种直接连接能够节省空间和功耗。例如,高阻比例桥可以采用内置基准的ADC,从而省去外部基准。

另一方面,可能需要使用仪表放大器(IA)连接传感器和ADC,原因是:
  • 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,特别是当传感器距离ADC较远时。
  • 许多高性能ADC不具备高阻输入,需要通过一个低阻放大器驱动才能充分发挥其优势。这种情况下如果没有中间放大器,输入电流尖峰和不匹配的源阻抗会导致较大的增益误差。
  • 外部放大器允许用户根据具体应用优化信号调理(滤波)。
  • IA提供的增益能够改善传感器与ADC之间的连接,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,读取一个未经放大的传感器信号要比读取放大后的传感器信号需要更高的分辨率和昂贵的ADC。

低失调带来的益处

教科书中用大量的篇幅描述理想世界,公式推导中存在许多不确定因素,所有问题都用一个答案解答。而为了得到一个工作的模拟电路在实验室进行的长时间调试更能说明真实世界的状况,整个进程的里程碑可能恰好源于一次转折……。

使用IA读取传感器信号时经常会遇到各种直流误差问题,主要根源是输入失调电压(VOS)的影响。事实上,任何直流误差源都可以等效为VOS:直流CMRR代表直流VOS随输入共模电压的变化,直流PSRR代表直流VOS随电源电压的变化。

即使VOS可以在生产过程中可以校准,与初始直流失调相比,也要更加关注VOS的漂移(随温度和时间变化)。这种漂移误差最好通过芯片内部的有源电路消除。

引起交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同样的增益放大。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。粉色噪声主要集中在低频频段(低于100Hz左右),白色噪声通常限定了芯片的高频信号性能(图1)。由于绝大多数IA用于处理低频信号,本文更加关注粉色噪声。

图1. 半导体器件中的噪声密度
图1. 半导体器件中的噪声密度

传统的低噪声模拟电路设计通常选用双极型晶体管设计输入级电路,特别是在要求较低粉色噪声的情况下。粉色噪声是由于半导体表面的缺陷处发生重组效应引起的。因此,与双极型器件产生的噪声相比,CMOS器件的噪声具有更大幅度和更高的截止频率(噪声截止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输入,迫使IA采用CMOS前端,从而使设计人员必须面对随之而来的高低频噪声。幸运的是,能够连续补偿输入失调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。

一种炙手可热的新架构:三运放与间接电流反馈

传统IA使用三运放搭建输入缓冲级和输出级电路(图2)。输入缓冲级电路提供全差分增益、单位共模增益和高阻输入,差分放大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缺点:可用的输入共模电压范围有限,交流CMRR也有限。

图2. 传统的三运放IA
图2. 传统的三运放IA

基于三运放架构的IA其传输特性受到一定限制(图3)。在输入共模和输入差分电压的某种组合下,这种架构的缓冲放大器A1和A2很容易饱和,使输出达到电源电压。这种状况下,IA不再抑制输入共模电压。

图3. 不同共模电压下的有限传输特性(高增益,“眼图”开度缩小)。
图3. 不同共模电压下的有限传输特性(高增益,“眼图”开度缩小)。

由此,大多数三运放IA的数据资料给出了可利用的输入共模电压与输出电压的关系曲线。因为输出电压只是按比例缩放输入差分电压,曲线中的两个轴可以标记为“输入共模电压”与“输入差分电压”。六边形灰色区域代表了“有效”工作区,在这个区域内放大器A1和A2输出不会饱和到电源电压。

值得注意的是:图3所示的图形对单电源应用非常关键。共模电压很容易接近电路的地电位,灰色区域不能延伸到此电位。因此,某些应用中(如低端电流检测)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位。

三运放IA可以通过差分放大器周围完全匹配的电阻获得较高的共模抑制,但这种IA的反馈架构会大大降低交流CMRR。为克服这些缺点,业内开发出了另一种IA架构,例如:双gM间接电流反馈方案(图4),获得了极大地成功。

图4. 采用间接电流反馈架构的IA
图4. 采用间接电流反馈架构的IA

这种架构由两个完全一致的跨导放大器和一个高增益放大器组成。两个完全一致的放大器具有相同的gM,在输入端可以获得相同的差分电压,因此,输出电压取决于电阻分压比Rf/Rg。输出共模电压由REF引脚的电压设定。输入gM放大器具有固有的共模电压抑制功能,使放大器具有极高的直流和交流CMRR。

间接电流反馈IA架构即使在输入共模电压等于负电源电压时,也能实现满幅输出。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。Maxim的MAX4460/MAX4461/MAX4462和MAX4208/MAX4209即为此类IA产品。

消失调技术:捕获漂移?

IA的两个重要指标是粉色噪声(也称为1/f或闪烁噪声)和VOS及其随着温度、时间产生的漂移。1/f噪声是一种低频现象,许多用于实现“零漂移”和消输入失调的电路同样可以消除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)。许多文章中已经对这些电路架构作出了描述(见参考文献),每种架构具有不同的可用带宽、开关噪声以及消失调精度。

例如,IA已经采用基于飞电容的采样技术,以实现输入失调电压的自动校准。然而,用于采样的输入级并非真正的高阻结构,所以源阻抗的失配,例如:桥路的不均衡,很容易降低整体系统的精度。

应用

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。

比例桥克服干扰

比例桥是一种标准的桥测量系统,同样可提供高精度,而且成本很低。成本低的原因是比例桥不需要高精度基准源驱动桥和ADC基准输入,“任意”一款基准源,相对精度不高但具有高ppm/°C,例如电源电压,即可同时驱动桥和ADC。

众所周知,即使满摆幅输出运算放大器在驱动输出电压达到电源摆幅数百毫伏以内时也很难保持其最高精度。因此,对于具有高动态范围和单极性信号输入的放大器,有必要将输出偏置在高于地电位大约250mV左右。偏置电压驱动串联电阻的一端,需要低阻输出的缓冲器驱动,以免引入不必要的增益误差。为尽量降低输出误差,这种单位增益运放缓冲器也应具有低直流失调和低温漂特性。

Maxim的IA (例如MAX4208)在小尺寸µMAX®封装内集成了一个高精度零漂移运放缓冲器和两个gM间接电流反馈IA,其中,缓冲器和简单的外部分压电阻(图5)可以建立稳定的偏置参考电压,与ADC基准成比例关系。缓冲器还能驱动ADC差分输入的一端。IA的内部斩波-斩波-稳定架构可以同时消除运放缓冲器以及主(前向)通道和反馈通道gM放大器的粉色噪声的影响。此外,MAX4208具有关断模式,非常适合功率敏感应用。

图5. 驱动比例桥(MAX4208–MAX4209)
图5. 驱动比例桥(MAX4208–MAX4209)

完善的电流检测

如今,便携式电子设备对有效功率管理越来越严格,这重新引发了人们对电流检测放大器的关注。地电位检测IA可以用作高端电流检测器,用于存储器模块、微处理器核电压的电流检测(图6),也可以在H桥功率电子转换器反馈路径中用作低边电流检测放大器。这些应用中的电流特别高(有时接近90A),因此检测电压必须非常小才能避免检流电阻上产生过多的功耗。通常,检流电阻可以采用电源电感本身的ESR。为精确读取这个小的检测电压,输入失调电压必须远远低于需要高精度放大的最小检流电压(即最小负载电流)。

图6. 在计算机应用中检测大电流(MAX4208)
图6. 在计算机应用中检测大电流(MAX4208)

计算机硬件的核电压可能在0.9V到1.5V范围内,需要在较低的、不断变化的共模电压环境下测量较小的检测电压。类似于MAX4208的低VOS、高CMRR而且是针对单电源应用优化的IA非常适合这种应用场合。

结论

新的应用不断促进理想的仪表放大器技术的发展,目前已有多种架构能够提供极具挑战的VOS、VOS温漂以及1/f噪声指标。了解仪表放大器设计的细微差异,并将设计与实际应用紧密结合,能够充分利用芯片工艺的优势。



参考文献
  • Thomas Frederiksen, Intuitive IC Op Amps (National Semiconductor Technology Series, 1984).

  • Horowitz, Paul, & Hill, Winfield, The Art of Electronics (Cambridge University Press, 1989).

  • Graeme, Jerald, Optimizing Op Amp Performance (McGraw-Hill, 1997).

  • Huijsing, Johan, Operational Amplifiers—Theory and Design (Kluwer Academic Publishers, 2001).

  • Nolan, Eric, Moghimi, Reza, "Demystifying Auto-Zero Amplifiers," Analog Dialogue (Analog Devices, Inc., May 2000).

  • Kugelstadt, Thomas, "Auto-zero amplifiers ease the design of high-precision circuits," TI Analog Applications Journal (2005).