儀表放大器在智能傳感器中使用的注意事項(xiàng)

　儀表放大器(IA)由于其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、寬電源供電范圍及小體積等一系列優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電橋、熱電偶及溫度傳感器的放大電路中得到了廣泛的應(yīng)用，它既能對(duì)單端信號(hào)又能對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，一般需要實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這主要是通過多路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的切換。實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象可以分別選擇單端信號(hào)或差分信號(hào)的輸入方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的獲取，一般市場(chǎng)上所有的多路信號(hào)采集系統(tǒng)基本上都具備這種功能。
　　
　　差分儀表放大器具有對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)共模信號(hào)加以抑制的功能，但是并非所有差分信號(hào)輸出的場(chǎng)合可以直接使用儀表放大器作為前置信號(hào)放大級(jí)，具體來說必須考慮到共模信號(hào)的大小、差分信號(hào)的大小、放大倍數(shù)的選擇、輸入信號(hào)的頻率范圍等因素，同時(shí)針對(duì)輸入信號(hào)的具體情況可以選擇單端信號(hào)輸入方式或者差分信號(hào)輸入方式。下面對(duì)儀表放大器在實(shí)際應(yīng)用中所涉及到的這些問題分別加以闡述。
　　
　　1、儀表放大器的結(jié)構(gòu)
　　
　　儀表放大器一般是由三個(gè)放大器和經(jīng)過激光調(diào)阻修正的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖1所示。在傳統(tǒng)的三片運(yùn)放方式的基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)，內(nèi)部阻值的校準(zhǔn)保證用戶只需要外接一個(gè)電阻即可實(shí)現(xiàn)由1到上萬倍的增益設(shè)定，減少了由于增益相關(guān)誤差帶來的數(shù)據(jù)采集誤差，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)保證其具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，且每一路輸入都有輸入保護(hù)電路以避免損壞器件。由于采用激光調(diào)阻，使其具有低失調(diào)電壓、高共模抑制比和低溫漂。
　　
　
　　
　　在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，正負(fù)電源引腳處應(yīng)接濾波電容C，以消除電源帶來的干擾。5腳為輸出參考端，一般接地。實(shí)際應(yīng)用中即使5腳對(duì)地之間存在很小的電阻值，也將對(duì)器件的共模抑制比產(chǎn)生很大的影響，如5歐姆的阻值將導(dǎo)致共模抑制比衰減到80dB。
　　
　　2、應(yīng)用中應(yīng)考慮的問題
　　
　　2.1輸入偏置電流回路
　　
　　一般來說，選擇差分信號(hào)測(cè)量的工作方式時(shí)，后面的信號(hào)放大電路一般直接采用儀表放大器構(gòu)成。儀表放大器的輸入阻抗非常高,大約達(dá)到1010Ω數(shù)量級(jí)，相應(yīng)對(duì)于差分輸入的每個(gè)輸入端都需要輸入偏置電流通道，以提供共模電流反饋回路，例如儀表放大器IN118輸入偏置電流大約為±5nA。由于儀表放大器的輸入阻抗非常高，使得輸入的偏置電流隨輸入電壓的變化非常小，對(duì)差分信號(hào)放大不會(huì)產(chǎn)生太大影響。輸入偏置電流是儀表放大器(IA)輸入三極管所必須的電流，電路設(shè)計(jì)時(shí)必須保證偏置電流有接地的回路，如果電路中沒有輸入偏置電流通道，傳感器的輸入將處于浮電位狀態(tài)，而浮電位值很可能超過放大器所能夠允許的共模電壓范圍(其值與放大器的供電電壓相關(guān))，使輸入放大器飽和而失去放大功能。針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用情況，輸入偏置電流回路設(shè)置可以采用三種基本形式，分別如圖2所示。其中(a)為差分信號(hào)源阻抗較高時(shí)常用的形式，其中的兩個(gè)接地電阻相等，以保證較高的共模抑制比和減小偏置電流對(duì)失調(diào)的影響；(b)為信號(hào)源阻抗較低時(shí)采用的形式(如熱電偶)；(c)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)常用的形式。
　　

　　從圖2的三種結(jié)構(gòu)可知，在輸入通道設(shè)置偏置回路是通過在差分輸入端與地之間接適當(dāng)電阻實(shí)現(xiàn)的，具體電阻值的大小根據(jù)實(shí)際情況而定。
　　
　　2.2輸入共模電壓范圍
　　
　　儀表放大器對(duì)共模信號(hào)有較強(qiáng)的抑制作用，例如INA114，共模抑制比可高達(dá)120dB，但這是在放大倍數(shù)、輸入共模電壓在一定范圍內(nèi)以及輸入共模電壓的頻率較低的條件下才可以達(dá)到的。
　　
　　而所放大的差分信號(hào)，是指儀表放大器的兩個(gè)輸入端對(duì)地所存在的差值。圖3是一個(gè)典型的惠斯通電橋應(yīng)用電路，橋路供電電壓為10V，橋臂電阻如圖3中所示。根據(jù)其中的條件可以得到共模電壓值為5V，而差模電壓的大小為0.0144V，經(jīng)過差分IA后輸出為對(duì)地的單端信號(hào)。其**模電壓由于IA的高共模抑制比而不能通過，放大的是兩輸入端的差模電壓。儀表放大器抑制的共模信號(hào)既可以是交流信號(hào)也可以是直流信號(hào)，但這是受一定條件限制的，并非任何情況下的共模信號(hào)通過時(shí)都有同樣的抑制比，選擇時(shí)應(yīng)注意相應(yīng)的應(yīng)用范圍。其一，輸入共模電壓的范圍與供電電壓有關(guān)，在輸入共模電壓大約小于供電電壓1.25V左右時(shí)，才有較理想的抑制比。一般儀表放大器的供電電壓允許在很大的范圍內(nèi)變化，如INA114，INA118等在±2.25V到±18V內(nèi)都可以使用，在一定的應(yīng)用場(chǎng)合下，如果共模電壓較大時(shí)，相應(yīng)儀表放大器要選擇較高的供電電壓才能獲得理想的效果。如圖3**模電壓為5V，則儀表放大器的電源電壓應(yīng)為6.25V以上，否則不能使用儀表放大器作為前置信號(hào)放大級(jí)。其主要原因是IA的前面一組放大器A1、A2容易飽和。
　　
　　其二，輸入共模電壓抑制能力與共模電壓的頻率相關(guān)，頻率越高，抑制效果越差。
　　
　　其三，共模電壓的抑制能力與增益大小相關(guān)，在低增益工作段，共模抑制能力較差；1000左右的放大倍數(shù)，共模抑制能力較好。INA114、INA118基本上在1MHz頻率范圍內(nèi)的共模抑制能力都能夠達(dá)到80dB左右。
　　
　　特別需要注意的是，有時(shí)當(dāng)輸入共模電壓超過其允許的范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)輸出似乎正常的情況，這主要是由于A1、A2放大器輸出飽和導(dǎo)致A3放大器測(cè)得的輸出為零造成的。例如，對(duì)于上面提到的INA114，當(dāng)兩個(gè)差分輸入端電壓超過A1、A2的共模輸入所允許的范圍時(shí)，將造成共模抑制比急劇下降，共模信號(hào)會(huì)有輸出，但由于A1、A2飽和，使其輸出電壓相等，后使整個(gè)放大器共模輸出電壓為零，給人們?cè)斐伤坪跽５腻e(cuò)覺。
　　
　　2.3差分放大器的差模放大倍數(shù)
　　
　　此器件的差模放大倍數(shù)由1、8腳之間的外接電阻Rg決定(見圖1)，以INA114為例，放大倍數(shù)可按下面公式計(jì)算

　　
　　其中50kW為放大器A1、A2的反饋電阻之和，并且這兩個(gè)電阻都經(jīng)過激光調(diào)阻修正，以保證精度和溫度系數(shù)滿足使用要求。實(shí)際上外接增益調(diào)整電阻對(duì)放大器的增益精度和溫漂影響較大，必須選擇溫度系數(shù)小的高精度電阻。需要強(qiáng)調(diào)的是，從上述的增益計(jì)算公式中可以看出，對(duì)小信號(hào)放大需要較大增益時(shí)，電阻Rg值較小，如2000倍的增益對(duì)應(yīng)的Rg值為25.01歐姆。如果線路中的電阻與之可比擬，則對(duì)放大倍數(shù)影響很大，會(huì)帶來增益誤差，在某些情況下，甚至造成增益的不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。因此對(duì)于弱信號(hào)比較理想的選擇是采用多級(jí)放大的方式，盡量避免使用放大器的高增益段。同時(shí)必須注意外接電阻Rg實(shí)際上是引腳1和8之間的阻抗，為了減小增益誤差應(yīng)避免與Rg串聯(lián)較大的寄生電阻。為了減小增益漂移，外接電阻的溫度系數(shù)必須很低。
　　
　　另外增益的大小與被測(cè)信號(hào)頻率高低關(guān)系極大。以INA114為例，根據(jù)該器件的增益帶寬積指標(biāo)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率在1kHz時(shí)，增益大小不能超過1000倍；當(dāng)輸入信號(hào)頻率為10kHz時(shí)，則增益值不能超過100倍。
　　
　　2.4調(diào)零
　　
　　儀表放大器一般都通過激光調(diào)阻，在通常應(yīng)用情況下，其本身不存在零點(diǎn)的漂移，但是在應(yīng)用傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為A/D輸入的標(biāo)準(zhǔn)電平，故需要零點(diǎn)調(diào)整。調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)是通過改變儀表放大器的參考電壓實(shí)現(xiàn)的，放大器A3的實(shí)際輸入電壓等于放大器A1、A2放大后的電壓加上參考電壓。在實(shí)際應(yīng)用中必須注意參考電壓的獲取，因?yàn)閰⒖级藢?duì)地的阻抗將影響放大器的共模抑制比，理想的情況是選擇低內(nèi)阻的恒壓源作參考電壓。與一般調(diào)零電路不同，這里可以在普通的調(diào)零電路基礎(chǔ)上增加一電壓跟隨器來實(shí)現(xiàn)低阻抗的基準(zhǔn)電壓源。
　　
　　對(duì)于儀表放大器來說，當(dāng)負(fù)載與信號(hào)源系統(tǒng)之間地電位不能相等時(shí)，通過參考端來調(diào)零將簡(jiǎn)化后續(xù)電路。在參考端所加調(diào)零電壓的范圍必須在小于電源電壓2V以內(nèi)，且考慮到獲取佳的共模抑制比，寄生電阻同樣必須限制到小值，盡量接近零電阻。因?yàn)槿魏屋^大的電阻(包括印刷電路布線或其它原因引起的電阻)都將使共模抑制調(diào)整失去平衡。
　　
　　2.5輸入方式、輸入保護(hù)及前置差分濾波器
　　
　　1.輸入方式選擇
　　
　　如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可用通道數(shù)不影響信號(hào)的采集，應(yīng)根據(jù)信號(hào)源的特性來選擇輸入方式。如果多路輸入信號(hào)存在一公共端(共地)，選擇單端輸入方式基本可以滿足要求，否則選擇差分方式。對(duì)于選擇差分信號(hào)輸入，必須考慮到上面提到的一些問題：共模電壓范圍、工作頻率等，當(dāng)不滿足上面提到的條件時(shí)，應(yīng)選擇其它的放大器作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大級(jí)，例如OP07系列。
　　
　　2.輸入保護(hù)
　　
　　在電路設(shè)計(jì)中，還必須考慮到輸入電路的保護(hù)。盡管儀表放大器內(nèi)部都有過載保護(hù)電路，但它有一定的范圍，而在很多的應(yīng)用場(chǎng)合下，信號(hào)源的供電電壓和芯片供電電壓不一致，當(dāng)信號(hào)源(例如傳感器)出現(xiàn)故障時(shí)可能引起信號(hào)源的電壓直接加在放大器的輸入端，當(dāng)超過允許范圍時(shí)會(huì)損壞放大器。不同廠家提供的儀表放大器，保護(hù)范圍是不一樣的，一般需要設(shè)計(jì)外接的保護(hù)電路，具體可以參見相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)手冊(cè)。

3.前置差分濾波器
　　
　　在使用儀表放大器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)信號(hào)源的頻帶不一致的時(shí)候，差分信號(hào)相互之間存在干擾，這時(shí)需考慮濾波器的設(shè)計(jì)。單端方式輸入時(shí)，相關(guān)濾波器的設(shè)計(jì)方法介紹較多，可參見相應(yīng)的資料。對(duì)于差分輸入存在差分干擾的情況，當(dāng)干擾信號(hào)超過有用信號(hào)時(shí)，必須考慮設(shè)計(jì)差分濾波器。差分濾波器必須滿足差分輸入差分輸出，具有高的共模抑制比及低輸出阻抗。另外使用差分濾波器還可以增加儀表放大器所允許的共模輸入電壓范圍，圖4是一個(gè)簡(jiǎn)單的由阻容元件構(gòu)成的一階差分濾波器，其中電阻R1=R2，C1=C2。濾波器的頻率特性由RC確定。圖中Vdi表示差分輸入信號(hào)，Vdo表示差分輸出信號(hào)，將濾波器看成一四端網(wǎng)絡(luò)，則系統(tǒng)滿足如下關(guān)系：

　　
　　目前儀器儀表技術(shù)已朝著網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的方向發(fā)展，隨著各種現(xiàn)場(chǎng)總線及總線接口標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，這種趨勢(shì)的發(fā)展速度將越來越快，而作為其底層的傳感器/執(zhí)行器本身的智能化是構(gòu)成這種技術(shù)的基礎(chǔ)。由于儀表放大器本身所具有的優(yōu)越性，使其在傳感器信號(hào)處理中得到了廣泛的應(yīng)用，它將有效地減小傳感器信號(hào)處理電路所占用的空間，對(duì)于構(gòu)成嵌入式智能傳感器有著十分重要的意義。