基于精密儀表放大器的惠斯登電橋解決方案

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)量的優(yōu)選。理想情況下，無負(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

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)要求電源電壓越來越小的趨勢(shì)下，這個(gè)問題只會(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)。克服這點(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)來說，這是不現(xiàn)實(shí)的，而且在出廠后是無法調(diào)整的

減少第一級(jí)增益，通過微調(diào) REF 上的電壓來移除失調(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

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

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）或者來自嵌入式微控制器的濾波 PWM 信號(hào)，通過電阻 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)，R1與 R2之比將增益設(shè)為：

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以下公式計(jì)算：

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 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：

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

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：

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>

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±25m V 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)，這超過了電源軌。

這個(gè)問題可通過圖 5 所示的電路來解決。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。AD56018 位DAC對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)整，通過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：

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

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。 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)參見產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)。

原文標(biāo)題：惠斯登電橋傳感器電路設(shè)計(jì)技巧，了解一下？

文章出處：【微信公眾號(hào)：亞德諾半導(dǎo)體】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

審核編輯：湯梓紅