用于薄膜和厚膜傳感器的高增益信號調(diào)理電路

使用薄膜或厚膜應(yīng)變片技術(shù)的傳感器通常需要高增益信號調(diào)理。對于信號增益小于250V/V的典型應(yīng)用，任何高精度信號調(diào)理器MAX1452和MAX1455 ASIC都可以使用，而無需對信號進行任何外部放大。對于需要高增益補償（大于250V/V）的應(yīng)用，必須添加外部放大電路。

使用MAX4196儀表放大器（IA）作為前置放大電路，為信號路徑增加10V/V增益，使低輸出應(yīng)變計傳感器能夠進行溫度補償和校準(zhǔn)。將介紹和討論用于此類傳感器的高增益放大和溫度補償?shù)耐暾娐贰?/p>

使用薄膜或厚膜 （TF） 應(yīng)變片技術(shù)的壓力傳感器和力傳感器通常需要每伏幾百伏的信號放大。傳感器信號必須補償溫度變化引起的失調(diào)和量程變化。

MAX1452精密傳感器信號調(diào)理器提供傳感器電橋激勵所需的全部功能（失調(diào)和量程溫度補償，以及16位調(diào)整分辨率的輸出失調(diào)調(diào)整）。然而，MAX1452設(shè)計針對壓阻式傳感器（PRT）進行了優(yōu)化，這些硅微加工器件由于電橋靈敏度高，通常需要低信號增益。

MAX1452的可選增益范圍為39-234V/V，PRT傳感器的滿量程（FS）輸出信號電平為20-40 mV/V。1因此，當(dāng)使用42V的電橋激勵電壓產(chǎn)生83V的輸出電壓擺幅時，需要3-5V/V范圍內(nèi)的增益。 TF傳感器通常具有1.5至2.5 mV/V的低得多的電橋靈敏度水平，因此需要360-830V/V的增益和4V的電橋激勵電壓以產(chǎn)生5V輸出擺幅。

使用MAX4196儀表放大器（IA）作為前置放大電路，可為信號路徑增加10V/V增益，使MAX1452能夠進行TF傳感器校準(zhǔn)和溫度補償。圖1顯示了使用該架構(gòu)對TF傳感器進行放大和溫度補償?shù)耐暾娐贰?/p>

圖1.MAX4196 IA以10的固定增益放大傳感器信號。

選用MAX41962其內(nèi)部設(shè)定的固定增益為10，除了電源上的旁路電容器外，不需要外部元件。MAX1452中的運算放大器用于設(shè)置2.5V的任意中軌電壓，為MAX4196 REF輸入和MAX1452 INM輸入提供參考信號。差分傳感器信號在MAX4196 OUT引腳相對于REF引腳轉(zhuǎn)換為單端信號。MAX1452差分輸入由該單端信號驅(qū)動，相對于INM輸入進入INP引腳。

這提供了傳感器信號的雙極性信號擺幅，圍繞由運算放大器和47KΩ電阻組成的電阻分壓器設(shè)置的零點。對于空載時具有正偏移且僅在正輸出方向擺動的傳感器（如重量傳感器應(yīng)用中常見的傳感器），運算放大器和電阻電路可以通過將MAX4196 REF和MAX1452 INM引腳直接連接到VSS來省去。如圖 2 所示。

圖2.單向傳感器連接。

MAX1452為傳感器電橋提供電橋激勵。當(dāng)配置為PRT器件的電流源時，激勵源的驅(qū)動電流能力限制為2mA，但當(dāng)作為電壓激勵源連接時（引腳BDR和ISRC連接在一起）時，可以提供高達4mA的電流，甚至通過附加電路提供更高的電流。憑借這種電流驅(qū)動能力，電橋電阻低至1200Ω的TF傳感器可以用4.5V的激勵電壓驅(qū)動。由于TF傳感器通常具有非常低的電橋電阻溫度系數(shù)（TCR）和靈敏度溫度系數(shù)（TCS），因此激勵電壓不需要太大的補償調(diào)整范圍，因此可以設(shè)置為接近上電源軌的值（通常為VBDR= 4.5V）。激勵電壓越高，所需的信號增益越低。

MAX16有1452種增益設(shè)置，范圍為39至234，增量為13。此范圍擴展到 390 到 23403以 130 為增量。整個電路的校準(zhǔn)增益也是電橋激勵電壓V的函數(shù)BDR，如以下等式所示：

VOUT = BridgeOutput(mV/V) × VBDR(V) × GMAX4196(V/V) × GMAX1452(V/V)

為了獲得連續(xù)的增益選擇范圍，當(dāng)使用合理的激勵電壓時，電路的固定增益步長必須重疊。TF傳感器的合理激勵電壓范圍為3.0-4.5V。3.0V的下限是考慮系統(tǒng)噪聲的，4.5V的上限是需要V的電橋勵磁源施加的BDR低于 V 0.5VDD用于合規(guī)性或電路操作的裕量。重疊增益選擇范圍如圖3所示。

圖3.整體可選增益范圍提供與各種傳感器輸出的重疊。

由于MAX1452調(diào)制電橋激勵電壓作為調(diào)節(jié)總增益以補償量程隨溫度變化的一種手段，因此在MAX4196前置放大器上觀察這種影響非常重要。典型的TF傳感器具有非常好的TCS性能，在100°C溫度范圍內(nèi)可能僅變化百分之幾。這就要求在相同溫度范圍內(nèi)，電橋激勵僅變化百分之幾，通常僅為Δ150mV，以補償效應(yīng)。V的這個小變化BDR將產(chǎn)生MAX4196的共模輸出電壓的微小變化。MAX4196在-88°C至40°C工作范圍內(nèi)提供最小85dB的共模抑制。 當(dāng)總系統(tǒng)增益為910V/V時（最壞情況計算為高增益），輸出誤差信號為0.1%。

與MAX1452輸出端使用增益級的電路相比，這種增益結(jié)構(gòu)增加的另一個好處是噪聲性能顯著改善。MAX1452可編程增益放大器（PGA）為開關(guān)電容架構(gòu)，產(chǎn)生小而顯著的輸出噪聲。該噪聲電平隨PGA增益設(shè)置而成比例（非線性）。PGA增益設(shè)置越高，輸出噪聲越高。在MAX1452的輸入端放置額外的增益電路，并使用較低的PGA增益設(shè)置，可以實現(xiàn)高信號增益系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷