仪表放大器：传感器应用的理想电路

用作高阻抗缓冲器。ISL2853x和ISL2863x仪表放大器允许用户仅为这一目的而操作输入放大器的输出。VA+以差分放大器的非反相输入为参照，而VA-以反相输入为参照。这些具有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信息和健康监测。通过在VA+和 VA-上连接两个电阻，可在两个电阻的中点提取具有缓冲的输入共模电压(见图 4)。此电压可发送至模/数转换器(ADC)，用于传感器监测或反馈控制，从而不断提高传感器的精度和准确度。

　　图4. VA+ 和 VA- 引脚可以对接输入增益级的输出

可编程增益放大器的优点

广泛被接受的一点是，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性能或增益准确度。这是由于用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，电阻公差会造成CMR范围上限高达运算放大器的极限，下限低至-24.17Db2。

集成式解决方案可改善片上电阻匹配，但当用于设置放大器的增益时，仍然存在与外部电阻的绝对匹配问题。片上精密电阻阻值与外部电阻阻值之间的偏差，可能达到20%甚至30%。另一个误差来源是内部和外部电阻之间的热性能差异。内部和外部电阻可能具有相反的温度系数。

可编程增益放大器解决这个问题的途径是使所有电阻均为内部电阻。此类放大器的增益误差(见式6)可能小于1%，并在温度变化条件下具有±0.05%典型值和±0.4%最大值(增益可达500)的调整能力。

Intersil的ISL2853x和ISL2863x系列可编程INA(PGIA)提供单端(ISL2853x)和差分(ISL2863x)输出，并具有三个不同的增益集。每个增益集有九个不同的增益设置，如表1所示。如每列的底部所示，这些增益集适用于特定应用。

　　传感器健康监测器和有源屏蔽驱动应用范例

传感器健康监测器

桥式传感器使用四个匹配的电阻性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，用于四分之一桥、半桥和全桥应用。电桥由位于两个支路上的低噪声、高准确度电压基准源驱动。另两个支路是差分信号，其输出电压变化与被感测环境的变化相似。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。例如，在使用+5V基准源作为激发源的单电源系统中，共模电压为+2.5V。

传感器健康监测的概念是跟踪数据采集系统中的电桥阻抗。环境中的变化、随着时间的推移而产生的磨损或发生故障的桥式电阻性元件会使电桥失衡，造成测量误差。由于电桥差分输出共模电压是激发电压的一半，所以可通过测量该共模电压来监测传感器的阻抗健康(见图5)。通过周期性地监测电桥的共模电压，我们能够了解传感器的健康状况。

　　图5. 传感器健康监测应用电路图

有源屏蔽驱动

远离信号调理电路的传感器在工作时会受到嘈杂环境的影响，从而减小进入放大器的信噪比。差分信号传输和屏蔽电缆是用于减小灵敏信号线路噪声的两种技术。减小仪表放大器无法抑制的噪声(高频噪声或超出供电轨的共模电压电平)可提高测量准确度。屏蔽电缆可提供卓越的信号线路噪声耦合抑制功能。然而，电缆阻抗失配会导致共模误差进入放大器。驱动电缆屏蔽至低阻抗电位可减少阻抗失配。电缆屏蔽通常连接至机壳接地端，因为它是一个非常好的低阻抗点且易于操作。这种做法对双电源应用非常有效，但对单电源放大器，这可能并不总是连接屏蔽的最佳电位电压。

在某些数据采集系统中，传感器信号放大器使用双路供电电压(±2.5V)。将屏蔽连接至模拟接地端(0V)会将屏蔽的共模电压恰好放置于偏置电源中点，亦即放大器CMR性能最佳的位置。随着单路电源放大器(5V)渐渐成为传感器放大器的更受欢迎的选择，将屏蔽连接于0V位置的方法目前是连接于放大器的较低电源轨，这通常是CMR性能会出现下降的共模电压。将屏蔽连接至中点供电电压值的共模电压会使放大器以最佳CMR性能工作。

改善屏蔽驱动的另一个解决方案是使用ISL2853x和ISL2863x的VA+和VA-引脚，来感测共模电压并驱动屏蔽至该电压(见图6)。使用VA+和VA-引脚可产生输入共模电压的低阻抗基准源。驱动屏蔽至输入共模电压，可减小电缆阻抗失配和提升单电源传感器应用的CMR性能。对屏蔽驱动电路的进一步缓冲，可使用ISL2853x产品上的附加未使用运算放大器，从而消除对添加外部放大器的需求。

　　图6. 有源屏蔽应用电路图

结论

仪表放大器是众多传感器应用的理想电路选择，但是可选择的合适放大器如同被测量的不同传感器一样数量庞大。市场上的最新INA已经具有许多优点。用户也一如既往地需要在性能和价格之间进行权衡。如果应用是针对高精密