智能传感器中仪表放大器应注意的问题.pdfVIP

沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 智能化传感器中应用仪表放大器时应注意的问题 作者：中国科学院智能机械研究所 吴仲城 摘 要：在智能化传感器系统中广泛采用多路开关和仪表放大器构成信号放大处理电路,放 大差分信号的仪表放大器在设计使用过程中应考虑到输入共模信号的范围、输入偏 置电流回路设置、增益的选择、调零、滤波等因素,以及所选择的信号输入方式。 针对这些问题进行了较详细的讨论,并指出仪表放大器在未来嵌入式智能网络化的 传感器设计中有十分广阔的用途。 关键词：仪表放大器 差分信号 单端信号 1 序言 仪表放大器（IA）由于其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范 围及小体积等一系列优点,在数据采集系统、电桥、热电偶及温度传感器的放大电路中得到 了广泛的应用,它既能对单端信号又能对差分信号进行放大。在数据采集系统中,一般需要实 现对多路信号进行数据采集,这主要是通过多路开关来实现对多路信号的切换。实际应用中, 针对不同的测量对象可以分别选择单端信号或差分信号的输入方式来实现对信号的获取,一 般市场上所有的多路信号采集系统基本上都具备这种功能。 差分仪表放大器具有对差分信号进行放大,对共模信号加以抑制的功能,但是并非所有 差分信号输出的场合可以直接使用仪表放大器作为前置信号放大级,具体来说必须考虑到共 模信号的大小、差分信号的大小、放大倍数的选择、输入信号的频率范围等因素,同时针对 输入信号的具体情况可以选择单端信号输入方式或者差分信号输入方式。下面对仪表放大器 在实际应用中所涉及到的这些问题分别加以阐述。 2 仪表放大器的结构 仪表放大器一般是由三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成,如图 1 所示。在 传统的三片运放方式的基础上做一些改进,内部阻值的校准保证用户只需要外接一个电阻即 可实现由 1 到上万倍的增益精确设定,减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差,同时 这种结构保证其具有高输入阻抗和低输出阻抗,且每一路输入都有输入保护电路以避免损坏 器件。由于采用激光调阻,使其具有低失调电压、高共模抑制比和低温漂。 图 1 仪表放大器的结构原理框图 图1 所示为 BB（Burr Brown）公司的 INA114、INA118 等仪表放大器的结构原理框图及 引脚。在实际应用时,正负电源引脚处应接滤波电容 C,以消除电源带来的干扰。5 脚为输出 1 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 参考端,一般接地。实际应用中即使 5脚对地之间存在很小的电阻值,也将对器件的共模抑制 比产生很大的影响,如5欧姆的阻值将导致共模抑制比衰减到 80dB。 3 应用中应考虑的问题 3.1 输入偏置电流回路 一般来说,选择差分信号测量的工作方式时,后面的信号放大电路一般直接采用仪表放 大器构成。仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到 1010Ω 数量级,相应对于差分输入的每 个输入端都需要输入偏置电流通道,以提供共模电流反馈回路,例如仪表放大器 IN118 输入 偏置电流大约为±5nA。由于仪表放大器的输入阻抗非常高,使得输入的偏置电流随输入电压 的变化非常小,对差分信号放大不会产生太大影响。输入偏置电流是仪表放大器（IA）输入 三极管所必须的电流,电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路,如果电路中没有输入偏 置电流通道,传感器的输入将处于浮电位状态,而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的 共模电压范围（其值与放大器的供电电压相关）,使输入放大器饱和而失去放大功能。针对 实际的应用情况,输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式,分别如图 2 所示。其中(a) 为差分信号源阻抗较高时常用的形式,其中的两个接地电阻相等,以保证较高的共模抑制比 和减小偏置电流对失调的影响;（b）为信号源阻抗较低时采用的形式（如热电偶）;（c）为 对称结构常用的形式。 从图 2 的三种结构可知,在输入通道设置偏置回路是通过在差分输入端与地之间接适当 电阻实现的,具体电阻值的大小根据实际情况