如何在對(duì)電橋傳感器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)避免陷入困境

儀表放大器可以調(diào)理傳感器生成的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)這些信號(hào)的數(shù)字化、存儲(chǔ)或?qū)⑵溆糜诳刂菩盘?hào)一般較小，因此，放大器可能需要配置為高增益。另外，信號(hào)可能會(huì)疊加大共模電壓， 也可能疊加較大直流失調(diào)電壓。精密儀表放大器可以提供高增益，選擇性地放大兩個(gè)輸入電壓之間的差異，同時(shí)抑制兩個(gè)輸入中共有的信號(hào)。

惠斯登電橋是這種情況的經(jīng)典例子，但像生物傳感器一類的原 電池具有類似的特性。電橋輸出信號(hào)為差分信號(hào)，因此，儀表放大器是高精度測(cè)量的首選。理想情況下，無(wú)負(fù)載電橋輸出為零，但僅當(dāng)所有四個(gè)電阻均完全相同時(shí)，這種情況方為真。假如有一個(gè)以分立式電阻構(gòu)建的電橋，如圖 1 所示。最差情況差 分失調(diào) VOS為

(1)

其中，VEX 為電橋激勵(lì)電壓， TOL 為電阻容差(單位為百分比)。

圖 1 惠斯登電橋失調(diào)

例如，在各元件的容差均為 0.1%且激勵(lì)電壓為 5 V 時(shí)，差分失調(diào)可以高達(dá)±5 mV。如果需要 400 的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)所需電橋靈 敏度，則放大器輸出端的失調(diào)變成±2 V。假設(shè)放大器由同一電源驅(qū)動(dòng)，并且其輸出可以軌到軌擺動(dòng)，則僅電橋失調(diào)就可能消耗掉 80%以上的輸出擺幅。在行業(yè)要求電源電壓越來(lái)越小的趨 勢(shì)下，這個(gè)問(wèn)題只會(huì)變得更加糟糕。

傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器架構(gòu)(如圖 2 所示)有一個(gè)差分增益 級(jí)，其后為一個(gè)減法器，用于移除共模電壓。增益施加于第一 級(jí)，因此，失調(diào)放大的倍數(shù)與目標(biāo)信號(hào)相同。因此，將其移除的唯一方法是在參考(REF)端施加反電壓。這種方法的主要不 足在于，如果放大器的第一級(jí)已經(jīng)飽和，則調(diào)節(jié) REF 上的電 壓并不能更正失調(diào)?？朔@點(diǎn)不足的幾種方法包括：

根據(jù)具體情況，以外部電阻對(duì)電橋分流，但對(duì)于自動(dòng)化 生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，這是不現(xiàn)實(shí)的，而且在出廠后是無(wú)法調(diào)整的

減少第一級(jí)增益，通過(guò)微調(diào) REF 上的電壓來(lái)移除失調(diào)， 并再添一個(gè)放大器電路以實(shí)現(xiàn)所需增益

減少第一級(jí)增益，以高分辨率 ADC 完成數(shù)字化輸出，并 在軟件中移除失調(diào)

后兩種選項(xiàng)還需要考慮最差情況下與原始失調(diào)值的偏差，從而 進(jìn)一步減少第一級(jí)的最大增益。這些解決方案并不理想，因?yàn)樗鼈冃枰~外的電源、電路板空間或成本，來(lái)達(dá)到高 CMRR 和低噪聲的目標(biāo)。另外，交流耦合并不是測(cè)量直流或超慢移動(dòng)信號(hào)的一種選擇。

圖 2 三運(yùn)放儀表放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

間接電流反饋(ICF)儀表放大器(如AD8237 和 AD8420可在放 大之前移除失調(diào)。圖 3 顯示ICF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。

圖 3 間接電流反饋儀表放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該儀表放大器的傳遞函數(shù)在形式上與經(jīng)典三運(yùn)放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 傳遞函數(shù)相同，其計(jì)算公式為

(2)

由于輸入之間的電壓等于反饋(FB)與參考(REF)端子之間的電 壓時(shí)，放大器的反饋要求可得到滿足，因此，我們可將該公式 重寫為

(3)

這意味著，引入一個(gè)等于反饋和參考端子之間失調(diào)的電壓，即 使在存在大輸入失調(diào)的情況下，也可將輸出調(diào)整為零伏特。如圖 4 所示，該調(diào)整可以通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)：從一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓源(如低成本DAC)或者來(lái)自嵌入式微控制器的濾波 PWM 信 號(hào)，通過(guò)電阻 RA 將一個(gè)小電流注入反饋節(jié)點(diǎn)。

圖 4 帶失調(diào)移除功能的高增益電橋電路

設(shè)計(jì)步驟

等式(3)，1 與 R2 之比將增益設(shè)為：

(4)

設(shè)計(jì)師必須確定電阻值。較大電阻值可降低功耗和輸出負(fù)載; 較小 值可限制FB輸入偏置電流和輸入阻抗誤差。如果 R1 和 R2 的并聯(lián) 組合大于約30 k， 則電阻開(kāi)始引起噪聲。 表1顯示了一些建議值。

表 1 各種增益的推薦電阻(1%電阻)

為了簡(jiǎn)化 RA值的查找過(guò)程，假設(shè)采用雙電源運(yùn)行模式，有一個(gè)接地 REF 端子和一個(gè)已知的雙極性調(diào)整電壓 VA。這種情況 下的輸出電壓可通過(guò)以下公式計(jì)算：

(5)

注意， 從VA至輸出的增益為反相。 VA 的增加會(huì)使輸出電壓降低， 比值為R2和 VA reduces the output voltage by a fraction given by the ratio of resistors R2 and RA之比。此比值下，可以針對(duì)給定的輸入失調(diào)，使調(diào)整范圍達(dá)到最大。由于調(diào)整范圍指向增益之前的放大器輸入， 因此，即使在低分辨率源的情況下，也可實(shí)施微調(diào)。由于 RA 一 般都比 R1大得多，因此，我們可以得到等式(5)的近似值：

(6)

為了找到一個(gè) RA值以允許最大失調(diào)調(diào)整范圍 VIN(MAX)， 在給定調(diào)整電壓范圍 VA(MAX)的情況下，使VOUT = 0 ，求 RA，結(jié)果得到

(7)

其中， VIN(MAX) 為傳感器預(yù)期的最大失調(diào)。等式(5)同時(shí)顯示， 調(diào)整電路的插入會(huì)修改從輸入到輸出的增益。即使如此，其影 響一般也很小，增益可以重新計(jì)算為：

(8)

一般地，對(duì)于單電源電橋調(diào)理應(yīng)用，參考端的電壓應(yīng)大于信號(hào) 地。如果電橋輸出可以在正負(fù)間擺動(dòng)，情況尤其如此。如果基 準(zhǔn)電壓源由一個(gè)低阻抗源(如分阻器和緩沖器)驅(qū)動(dòng)至電壓 VREF，如圖 5 所示，則等式(5)變?yōu)椋?/p>

(9)

如果相對(duì)于原始等式中的VREF取 VOUT 和VA ，則可得到相同 的結(jié)果。 VA(MAX) – VREF 也應(yīng)替換等式(7)中的 VA(MAX)。

設(shè)計(jì)示例

假設(shè)有一個(gè)單電源電橋放大器，如圖 4 所示，其中，用 3.3 V 電壓來(lái)激勵(lì)電橋并驅(qū)動(dòng)放大器。滿量程電橋輸出為±15 mV， 失調(diào)可能處于±25-mV 的范圍。為了取得所需靈敏度，放大器 增益需為 100，ADC 的輸入范圍為 0 V 至 3.3 V。由于電橋的 輸出可以為正，也可以為負(fù)，因此，其輸出指向中間電源或 1.65 V。只需通過(guò)施加 100 的增益，失調(diào)本身即會(huì)強(qiáng)制使放大器輸 出處于–0.85 V 至+4.15 V 的范圍內(nèi)，這超過(guò)了電源軌。

這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)圖 5 所示的電路來(lái)解決。電橋放大器A1 是一個(gè) 像AD8237 一樣的ICF儀表放大器。放大器A2，帶R4 和R5，將 A1 的零電平輸出設(shè)為中間電源。 AD5601 8 位DAC對(duì)輸出進(jìn)行 調(diào)整，通過(guò)RA使電橋失調(diào)為 0。然后，放大器的輸出由 AD7091 微功耗 12 位ADC數(shù)字化。

圖 5 針對(duì)單電源工作模式而修改的失調(diào)移除電路

從表1可以發(fā)現(xiàn)， 增益為101時(shí)， R1和R2 需為1 k和100 k。 電路包括一個(gè)可以在 0 V 至 3.3 V 范圍內(nèi)擺動(dòng)，或者在 1.65V 基準(zhǔn)電壓左右擺動(dòng)±1.65 V。為了計(jì)算 RA 的值，我們使用等式 (6)。其中，VA(MAX) = 1.65 V 且 VIN(MAX) = 0.025 V， RA = 65.347 kΩ。當(dāng)電阻容差為 1%時(shí)，最接近的值為 64.9 k。然而，這 沒(méi)有為源精度和溫度變化導(dǎo)致的誤差留下任何裕量，因此，我 們選擇一個(gè)常見(jiàn)的 49.9-k 低成本電阻。這樣做的代價(jià)是調(diào)整 分辨率降低了，結(jié)果導(dǎo)致略大的調(diào)整后失調(diào)。

從等式(7)，我們可以算出額定增益值為 103。如果設(shè)計(jì)師希望 得到接近目標(biāo)值 100 的增益值，最簡(jiǎn)單的辦法是使 R2 的值降 低 3%左右，至 97.6 k，結(jié)果對(duì) RA 的值的影響非常小。在新 的條件下，額定增益為 100.6。

由于DAC可以擺動(dòng)±1.65 V，因此，總失調(diào)調(diào)整范圍可通過(guò)由RA 以及R1和R2的并聯(lián)組合形成的分壓器給定，其計(jì)算方法如下：

(10)

在±25-mV 最大電橋失調(diào)范圍內(nèi)，±32.1-mV 的調(diào)整范圍可提供 28%的額外調(diào)整裕量。對(duì)于 8 位 DAC，調(diào)整步長(zhǎng)為

(11)

對(duì)于 250-µV 調(diào)整分辨率，輸出端的最大殘余失調(diào)為 12.5 mV。

R3 和 C1 c的值可以通過(guò)ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)中的建議值或參考文獻(xiàn)2 來(lái)確定。對(duì)于采樣率為 1 MSPS 的 AD7091，這些值為 51 和 4.7 nF。在以較低速率采樣時(shí)，可以使用較大的電阻或電容組 合，以進(jìn)一步減少噪聲和混疊效應(yīng)。

該電路的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，可以在生產(chǎn)或安裝時(shí)完成電橋失調(diào) 調(diào)整。如果環(huán)境條件、傳感器遲滯或長(zhǎng)期漂移對(duì)失調(diào)值有影響， 則可重新調(diào)整電路。

受其真軌到軌輸入影響，AD8237 最適合采用超低電源電壓的 電橋應(yīng)用。對(duì)于要求較高電源電壓的傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，AD8420 不失為一款良好的替代器件。該 ICF 儀表放大器采用 2.7 V 至 36 V 電源供電，功耗低 60%。

表 2 是對(duì)兩款儀表放大器進(jìn)行了比較。都使用了最小和最大規(guī) 格。有關(guān)更多詳情和最新信息，請(qǐng)參見(jiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)。

表 2 AD8237和 AD8420比較