探討利用儀表放大器的平衡和CMR特性的方法

儀表放大器（IA）是檢測(cè)應(yīng)用的主力。本文將探討一些利用儀表放大器的平衡和出色直流/低頻共模抑制（CMR）特性的方法，使得儀表放大器配合阻性傳感器（例如應(yīng)變計(jì)）使用，傳感器與放大器在物理上分離。文中將提出一些提高此類增益級(jí)的抗噪性，同時(shí)降低其對(duì)電源變化和元件漂移的敏感性的方法。文章還會(huì)提供實(shí)測(cè)性能值和結(jié)果以展示精度范圍，方便最終用戶應(yīng)用進(jìn)行快速評(píng)估。

說到傳感器，幾乎沒有什么能比得過惠斯登電橋（圖1）。該電橋可產(chǎn)生差分電壓，當(dāng)物理參數(shù)變化時(shí)，差分電壓會(huì)隨之發(fā)生可預(yù)測(cè)的變化。差分電壓還有抑制溫度和時(shí)間漂移的附帶好處。差分電壓位于較大共模 (CM) 電壓之上。使用儀表放大器來放大電橋提供的小信號(hào)。儀表放大器的優(yōu)點(diǎn)在于，在電橋元件負(fù)載很少或沒有負(fù)載的情況下，它可以檢測(cè)差分電壓并將CM抑制到傳統(tǒng)運(yùn)算放大器無法實(shí)現(xiàn)（因?yàn)橐笸獠?a target="_blank">電阻高度匹配）的程度。

圖1. 惠斯登電橋

物理測(cè)量所用的電子設(shè)備常常遠(yuǎn)離被測(cè)物理參數(shù)。例如，埋在卡車稱重站路面下方或橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變計(jì)測(cè)量，不太可能位于讀取測(cè)量結(jié)果的電子設(shè)備旁邊。當(dāng)使用雙線四分之一橋接應(yīng)變計(jì)（例如Omega公司的SGT-1/350-TY43）時(shí)，傳感器放在遠(yuǎn)離檢測(cè)放大器的地方，如圖2所示，產(chǎn)生的結(jié)果不令人滿意，即便傳感器引線使用屏蔽雙絞線也無效。

圖2. 遠(yuǎn)程傳感器設(shè)置受到環(huán)境噪聲拾取的影響

問題在于，屏蔽雙絞線不是對(duì)長電纜線路上的所有干擾都能抑制。在這種情況下，不能依靠儀器的良好平衡輸入來消除CM影響。長電纜拾取的干擾對(duì)放大器正負(fù)輸入的影響是不均衡的，而且輸入包含CMR無法消除的不相關(guān)信號(hào)。因此，如圖3所示，由于對(duì)CM噪聲（看似如此）的響應(yīng)不平衡，在電路輸出端發(fā)現(xiàn)明顯噪聲并不奇怪。

圖3. 麻煩的放大器輸出端120 Hz噪聲（0.1 V/div，2 ms/div）

為了從CM（直流和干擾）中成功提取很小的電橋差分電壓，一種解決方案是使用兩對(duì)屏蔽或非屏蔽雙絞線 (UTP)。這樣，儀表放大器的兩個(gè)輸入實(shí)現(xiàn)均衡，受到的 CM 噪聲影響相同，如圖 4 所示。諸如 LT6370 之類的器件具有出色的低頻 CMR (120 dB)，能夠可靠地抑制困擾 IA 輸入的噪聲。結(jié)果，即使在嘈雜的環(huán)境中，遠(yuǎn)距離輸出波形也很干凈。

圖4. 使用兩根非屏蔽雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)

有了 LT6370 的全部 CMR 功能，我們可以更進(jìn)一步，通過減少一對(duì)接線來簡化配置，僅留下一根 UTP。此概念如圖 5 所示，其中 U2 的輸入保持平衡以獲得良好的 CMR。注意 UTP 引線看起來與 U2 相同，并有相同的對(duì)地阻抗（R2、R4）。

圖5. 用于遠(yuǎn)程檢測(cè)的單根UTP

對(duì)于圖 5 所示的元件值，流過傳感器 RSENSOR 的電流約為 1 mA。使用 U 1的 RG1 值，該級(jí)以 G = 10 V/V 運(yùn)行，輸出電壓為 RSENSOR 上電壓的10倍放大副本，約為 3.5 V。U1 的主要任務(wù)是消除 UTP 長導(dǎo)線上存在的且僅響應(yīng)傳感器電壓的干擾，傳感器電壓等于傳感器電阻乘以流經(jīng)其中的約1 mA電流。LT6370 出色的低失調(diào)電壓和漂移，以及優(yōu)異的CMR特性，使其成為顯而易見的選擇。

惠斯登電橋的另一半由 R5、R6 和 VR1 組成，其電流與電橋的傳感器部分幾乎相同。U1 輸出端的傳感器電壓和VR1游標(biāo)處的基準(zhǔn)電壓均經(jīng)過低通濾波后達(dá)到 U2 的差分輸入端，以消除干擾噪聲。U2 設(shè)置為高增益（G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V），以放大正輸入端上的非常小的傳感器電壓，而負(fù)輸入端上是固定的低噪聲基準(zhǔn)電壓，自基準(zhǔn)電壓源 LT6657-5 產(chǎn)生。U1輸出精確代表實(shí)測(cè)的施加于傳感器（其附著于目標(biāo)元件或材料）的應(yīng)變，以驅(qū)動(dòng) ADC 或其他類似的信號(hào)處理。

可選 DAC 和 OPA（U4、U5）連接到 U 2的 REF 引腳（如果不需要偏移調(diào)整，可以將其接地），可用于提供輸出偏移調(diào)整和調(diào)零。使用 DAC 可以將U2 輸出電壓移動(dòng)到適合所選 ADC 的基準(zhǔn)或 CM 電平。例如，基準(zhǔn)電壓為 5V 的 ADC 可以直接從U2驅(qū)動(dòng)，使用 DAC 驅(qū)動(dòng) U2REF 輸入，將其零輸出設(shè)置為 2.5V。這樣，0 V 至 2.5 V ADC 模擬輸入代表壓縮應(yīng)變，2.5 V 至 5 V 信號(hào)代表拉伸應(yīng)變。需要注意的是，驅(qū)動(dòng) U2 REF 引腳的器件（本例中為 AD820）應(yīng)保持低阻抗，以消除任何可能的增益誤差。

以下是輸出電壓與傳感器電阻的關(guān)系以及輸出電壓與被測(cè)量應(yīng)變(ε)的關(guān)系的表達(dá)式：

其中，ΔRSENSOR為應(yīng)變引起的傳感器電阻的變化

其中：

L 指傳感器長度ε 指被測(cè)應(yīng)變量

對(duì)于所選的傳感器：Rsensor = 350 ΩGF= 2產(chǎn)生的應(yīng)變(ε)為：

LT6370 的超低增益誤差（G = 10 V/V時(shí)小于0.084%）和低輸入失調(diào)電壓（全溫度范圍內(nèi)最大值小于50 μV），保證U2獲得傳感器電壓的真實(shí)副本，減去UTP拾取的干擾，與 U2 反相輸入端產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。LT6657-5 產(chǎn)生穩(wěn)定、低噪聲、低漂移的基準(zhǔn)電壓，使整個(gè)電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是，LT6657-5 的 1/f 噪聲很低，這點(diǎn)意義重大，因?yàn)殡娐返脑鲆婧艽蟆?/p>

U2 每個(gè)輸入端的簡單RC低通濾波器（R9、C2和R10、C3）的滾降頻率設(shè)置為約 10 Hz，輸出噪聲可以通過限制帶寬來降低。

如圖 6 所示，LT6370 的 1/f 噪聲轉(zhuǎn)折頻率很低（

圖6. LT6370輸入基準(zhǔn)電流/電壓噪聲密度

電橋傳感器遠(yuǎn)離信號(hào)處理放大器，需要儀表放大器來提取干凈的實(shí)測(cè)差分電壓。LT6370 儀表放大器的特性使其能夠成功處理遠(yuǎn)程傳感器通過長電纜傳來的信號(hào)。LT6370 制造工藝在生產(chǎn)測(cè)試期間調(diào)用片內(nèi)加熱器來保證溫度漂移值，進(jìn)一步增強(qiáng)了 LT6370 對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用的適應(yīng)性，并延長了其在難以維修的設(shè)備中的使用壽命和產(chǎn)品壽命。