仪表放大器：传感器应用的理想电路

许多工业和医疗应用在存在大共模电压和DC电位的情况下，都使用仪表放大器(INA)来调理小信号。三运算放大器(三运放)INA架构可执行该功能，其中输入级提供高输入阻抗，输出级过滤共模电压并提供差分电压。高阻抗与高共模抑制比的结合是流量传感器、温度传感器、称重装置、心电图(ECG)和血糖仪等众多传感器和生物计量应用的关键。

本文介绍了三运放INA的基础操作，分析了零漂移放大器的优点、RFI输入滤波器、监测传感器健康和可编程增益放大器，并列举了传感器健康监测器和有源屏蔽驱动(active shield guard drive)电路的应用范例。

　　三运放INA基础操作

INA本身的性质使其适用于调理小信号。其高阻抗与高共模抑制比的结合非常适合传感器应用。通过使用输入级的同相输入可实现高输入阻抗，无需靠任何反馈技巧(见图1)。三运放电路可消除共模电压，并以非常小的误差放大传感器信号，但必须考虑输入共模电压(VCM)和差分电压(VD)，以免使INA的输入级达到饱和。

饱和的输入级可能看似对处理电路是正常的，但实际上却具有灾难性后果。通过使用具有轨到轨输入和输出(RRIO)配置的放大器来提供最大设计余量，有助于避免出现输入级饱和。以下讨论介绍了三运放INA的基本操作，并举例说明了放大器如何处理共模和差分信号。

图1是三运放INA的框图。按照设计，输入被分为共模电压VCM和差分电压VD。其中，VCM定义为两个输入的共用电压，是INA+与INA-之和的平均值，VD定义为INA+与INA-的净差(见式1)。

　　图1. 三运放INA及其电压节点

式2给出了由于施加共模电压和差分电压而在INA输入引脚上产生的节点电压(INA+、INA-)。

在非饱和模式下，A1和A2的运放在增益设置电阻RG上施加差分电压，产生电流ID：

因此A1和A2的输出电压为：

将式3代入式4可得：

式5仅显示被增益G1放大的差分分量VD/2，共模电压VCM经过具有单位增益的输入级，并在随后被放大器A3的共模抑制抵消。此动作有助于INA将共模信号从所需的差分信号上消除，从而得到我们想要的结果。来自各种传感器的差分信号常常被放大100 - 1000倍，以获得测量所需的灵敏度。例子包括精密称重装置、医疗仪器、惠斯通(Wheatstone)电桥和热电堆传感器等等。

　　零漂移放大器的优点

无论采用什么工艺技术和架构，所有放大器的输入失调电压都会随温度和时间而变化。制造商会提供关于输入失调电压随温度变化的技术规范(以每摄氏度伏特数表示)。传统放大器的该规范是每摄氏度几微伏至几十微伏。该失调漂移在高精密应用中可能会出问题，且无法在初始制造期间校准。除了随温度变化的漂移，放大器的输入失调电压还会随着时间的推移而漂移，并造成很大的产品寿命误差。由于显而易见的原因，产品数据表不包括关于该漂移的技术规范。

通过连续自我校正失调电压，使漂移随温度和时间的变化降到最小程度，是零漂移放大器的固有特性。有些零漂移放大器对失调电压的校正频率高达每秒10,000次。输入失调电压(VOS)是一个关键参数，且在使用INA来测量传感器信号时还会引起DC误差。零漂移放大器(如ISL2853x和ISL2863x)能够提供5nV/C的极低失调漂移。

零漂移放大器还可消除1/f噪声，或闪烁噪声(见图2)。1/f噪声是由传导通路中的不规则性所引起的低频现象和晶体管内的电流而产生的噪声。这使零漂移放大器成为用于接近DC的低频输入信号(如来自应变仪、压力传感器和热电偶的输出)的理想选择。考虑到零漂移放大器的采样和保持功能将其转变为一个采样数据系统，使其容易产生由于减法误差而引起的混叠和折叠效应，这会造成宽频分量折叠进入基带。但在低频条件下，噪声变化缓慢，所以减去两个连续的噪声样本可实现真正的噪声消除。

　　图2. 半导体中的噪声密度：从1/f噪声到白噪声

RFI输入滤波器的重要性

无线收发器在便携式应用中的使用增多，已导致电子电路在高频无线电发射器(如蓝牙)附近工作的能力受到更大关注。这就需要进行RF抑制来确保传感器的工作不受干扰。在对电磁干扰(EMI)敏感的应用中，高频RF信号可能在精密放大器的输出端表现为已整流的DC失调。因为精密前端的增益可能达到100或更大，所以一定不能放大在放大器输入端可能存在的任何传导的或辐射的噪声。解决这个问题的一个简单方法是如图3所示，在INA的输入端设置RFI滤波器。

　　图3. 带RFI输入滤波器的INA的输入级

传感器健康的监测

能够监测传感器随时间推移而产生的任何变化，有助于提高测量系统的稳健性和准确度。在传感器上直接进行测量很有可能影响读数。有一种解决办法是将INA的输入放大器