運(yùn)算放大器在傳感器領(lǐng)域中的應(yīng)用是怎樣的

隨著春節(jié)的臨近，疫情再次反復(fù)，石家莊和沈陽(yáng)的聚集性病例讓我們?cè)僖淮螌⒛抗饩劢褂谛鹿诜窝祝绾畏揽爻蔀榱烁鱾€(gè)小網(wǎng)格單元的關(guān)注點(diǎn)，如何自我保護(hù)不影響團(tuán)聚過(guò)年成為普通人的小目標(biāo)。夏天的時(shí)候，我們寫過(guò)一篇文章講到“紅外熱像儀原理及電子器件分析”，就是在疫情中除了額溫槍以外廣泛使用的測(cè)溫產(chǎn)品“紅外熱像儀”（如圖1）。

紅外熱像儀通過(guò)探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射，然后經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理及數(shù)字圖像處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像，傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?a href="http://srfitnesspt.com/v/" target="_blank">工業(yè)及汽車產(chǎn)業(yè)。

圖 2 紅外熱像儀基本硬件結(jié)構(gòu)

基本工作步驟為（如圖2）：FPA探測(cè)器——信號(hào)放大——信號(hào)優(yōu)化——信號(hào)ADC采樣——SOC/FPGA整形與預(yù)處理——信號(hào)圖形及數(shù)據(jù)顯示，其間伴隨TEC（熱電制冷器）對(duì)探測(cè)器焦平面溫度的反饋控制。

信號(hào)放大、信號(hào)優(yōu)化階段是比較考驗(yàn)設(shè)計(jì)的時(shí)刻，工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)用有著不一樣的要求，所以使得小信號(hào)放大成為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，故根據(jù)配套的采樣和預(yù)處理系統(tǒng)需要來(lái)選擇合適的運(yùn)放顯得很重要。

紅外熱像儀適用于人群聚集場(chǎng)合，在人流量較大的場(chǎng)景使用。額溫槍適用于醫(yī)院和家用，對(duì)于精度要求較高。額溫槍的核心器件是熱電堆傳感器，在傳統(tǒng)的醫(yī)用額溫槍方案中電子元器件供需關(guān)系緊張時(shí)，不同廠商采用不同的方案保障生產(chǎn)計(jì)劃。滿足醫(yī)用級(jí)額溫槍、耳溫槍精度要求的熱電堆傳感器應(yīng)用，保證高精度不僅需要符合指標(biāo)要求的硬件，軟件開發(fā)以及系統(tǒng)標(biāo)定和校準(zhǔn)也同樣重要。

目前額溫槍的方案可以概括為三種： 1、數(shù)字型輸出的熱電堆傳感器 + 低成本低功耗處理器方案；（在出廠前已經(jīng)做了預(yù)校準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者做基本配置和簡(jiǎn)單出廠校準(zhǔn)就能直接從傳感器中得到目標(biāo)溫度值和環(huán)境溫度值，是傻瓜式操作）； 2、熱電堆傳感+高精度自穩(wěn)零運(yùn)放 + 低成本低功耗處理器方案（最靈活，最難調(diào)試）； 3、熱電堆傳感+內(nèi)部集成PGA（差分儀表放大器結(jié)構(gòu)）的18位以上Sigma Delta ADC + 處理器的方案。

第2種方案的難點(diǎn)在于小信號(hào)處理，即對(duì)運(yùn)放的挑選和使用。在實(shí)際應(yīng)用中，難以真正達(dá)到醫(yī)用級(jí)額溫槍精度，或者即使勉強(qiáng)達(dá)到，其真實(shí)付出的硬件成本也并不低。熱電堆傳感器目標(biāo)溫度每變化0.1°C，輸出電壓變化量基本上在uV量級(jí)。對(duì)這個(gè)原始信號(hào)進(jìn)行充分而準(zhǔn)確的放大是關(guān)鍵。電路有以下幾個(gè)要求：

運(yùn)放需要使用正向放大拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。原因是熱電堆傳感器本身內(nèi)阻較高，所以需要傳感器接口電路必須是高阻輸入。而運(yùn)放只有在正向放大電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下才能保證高阻輸入。

需要偏置到大于0V的正電壓。當(dāng)測(cè)量目標(biāo)溫度小于環(huán)境溫度時(shí)，熱電堆傳感器來(lái)輸出是小于零的負(fù)電壓。這就需要把熱電堆傳感器的輸出負(fù)偏置到一個(gè)大于零伏的正電壓。

圖 3 第2方案的額溫槍框圖

圖 3 第2方案的額溫槍框圖

運(yùn)放自身的偏置（Offset）要很小，需要在uV級(jí)別，減小自身偏置對(duì)精度的干擾。 以及1/f噪聲（0.1~10Hz等效輸入pk-pk噪聲）需要在uV級(jí)別。

運(yùn)放增益是使用電阻對(duì)配出來(lái)的，而電阻對(duì)的溫漂匹配度也需要考慮。

采集環(huán)境通道的那一路，也推薦使用運(yùn)放來(lái)做信號(hào)調(diào)理，從熱電堆傳感器原理來(lái)講，環(huán)境溫度采集精度事實(shí)上直接影響目標(biāo)溫度的精度。

綜合以上的要求，第2種方案想要達(dá)到醫(yī)用精度，需要付出的采集周邊調(diào)整的軟硬件成本都不低。需要設(shè)計(jì)者對(duì)于運(yùn)放的選擇和使用得心應(yīng)手，并做到精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)。

第3種方案是比較適用于醫(yī)用額溫槍的方案，其中采用的Sigma Delta ADC，一般在配置為較低輸出率（ODR）的情況下，可以保證很高的信噪比。其輸入等效噪聲在nV級(jí)， 比1uV的要求小10倍以上，完全可以滿足熱電堆傳感器用于額溫槍的應(yīng)用場(chǎng)合。輸入一般為差分輸入，相對(duì)處理器內(nèi)部的單端輸入ADC而言，差分輸入的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于熱電堆信號(hào)負(fù)上的共模電壓，幾乎沒有任何精度上的要求。

除了額溫槍，血壓計(jì)、血氧儀、肺活量計(jì)、心率監(jiān)測(cè)器、呼吸機(jī)等醫(yī)療產(chǎn)品，都是對(duì)人體的生理模擬信號(hào)予以測(cè)量的產(chǎn)品，初始信號(hào)往往比較微弱，需要進(jìn)行放大、過(guò)濾處理，也是運(yùn)算放大器的重要應(yīng)用場(chǎng)合。傳感器（感官）+運(yùn)算放大器（神經(jīng)末梢）+ADC（腦）+處理器（心臟）是醫(yī)療終端的典型器件組成。（如圖4為指夾血氧儀硬件框圖）。

圖4 指夾血氧儀硬件框圖

醫(yī)療傳感器監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度、氣體、流量或生理信號(hào)，施以適當(dāng)?shù)男盘?hào)放大調(diào)理鏈路極為重要，在模擬前端（AFE，Analog Front End）電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器（OPA，Operational Amplifier）是最關(guān)鍵的器件，選擇低噪、高精、低功耗、低偏置電流的運(yùn)算放大器，能直接影響產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度。如今的運(yùn)放技術(shù)已可實(shí)現(xiàn) μV 級(jí)失調(diào)電壓、nV 級(jí)漂移和超低噪聲性能。在實(shí)際電路中，運(yùn)放通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種特定功能模塊。

圖 5 壓力傳感器框圖

除了醫(yī)用場(chǎng)景，比如壓力傳感器（如圖5）、液位變送器等工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品，都是傳感器+運(yùn)算放大器+ADC（+處理器）的典型應(yīng)用。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、等眾多行業(yè)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，高溫熔體壓力傳感器廣泛用于塑料、化纖、橡膠、鍋爐等行業(yè)的高溫熔體壓力測(cè)控；在生活中，也有應(yīng)用于空調(diào)的中央空調(diào)型壓力傳感器、變送器；在輸油管道里，需要智能數(shù)顯壓力控制器；在汽車中，需要胎壓監(jiān)控；在航空領(lǐng)域，比如此次的嫦娥五號(hào)采集月壤時(shí)需要探頭壓力檢測(cè)、采集月壤歸途需高溫壓力傳感器。

壓力傳感器通常轉(zhuǎn)換成僅依賴于壓力大小的較高的電壓電流等信號(hào)，再顯示出來(lái)。因此需要注意幾點(diǎn)：

1、要首先考慮如何獲取有用信號(hào)并且將噪聲做到最小化。尤其是測(cè)量非常小的物理量時(shí)，轉(zhuǎn)換元件固有的轉(zhuǎn)換噪聲等背景噪聲信號(hào)就會(huì)比較明顯，甚至將測(cè)量信號(hào)湮沒。

2、傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)電路要足夠精煉簡(jiǎn)約，才能有效提升信噪比。才不會(huì)發(fā)生放大信號(hào)的同時(shí)將噪聲也一同放大的情況，更不會(huì)陷入因噪聲困擾，電路越修改越復(fù)雜，復(fù)雜電路又會(huì)帶來(lái)更多噪聲困擾的惡性循環(huán)中。

3、選用合適的元器件，采用帶有較好的共模抑制比的運(yùn)放、差分放大電路設(shè)計(jì)或許就能夠滿足電源指標(biāo)。此外，盡可能降低電源的回路所產(chǎn)生的噪聲也是需要重視的。

要做到精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的同時(shí)達(dá)到既定目標(biāo)，需要選擇合適的運(yùn)放。一般在設(shè)計(jì)時(shí)選用精密運(yùn)放。

精密運(yùn)算放大器一般指失調(diào)電壓低于1mV的運(yùn)放，對(duì)于直流輸入信號(hào)，輸入失調(diào)電壓（VOS）和它的溫漂小就行，但對(duì)于交流輸入信號(hào)，還必須考慮運(yùn)放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲。

在傳感器類型和（或）其使用環(huán)境帶來(lái)許多特別要求時(shí)，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩(wěn)定性和對(duì)數(shù)以千計(jì)讀數(shù)和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現(xiàn)性，運(yùn)算放大器的選擇就會(huì)變得特別困難。精密運(yùn)算放大器的性能比一般運(yùn)放好很多，比如開環(huán)放大倍數(shù)更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調(diào)電壓或失調(diào)電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。好的精密運(yùn)放的性能遠(yuǎn)不是一般運(yùn)算放大器可以比的，一般運(yùn)放的失調(diào)往往是幾個(gè)mV，而精密運(yùn)放可以小到1uV 的水平。

要放大微小的信號(hào)，必須用精密運(yùn)放，用了一般的運(yùn)放，它自身都會(huì)帶入很大的干擾。要通過(guò)外圍電路改善，小幅或者微調(diào)可以，但無(wú)法大幅度或者徹底改變。

額溫槍、壓力傳感器等是典型的需要小信號(hào)放大的應(yīng)用。除了放大以外，運(yùn)放對(duì)信號(hào)還有其他調(diào)理功能，如信號(hào)進(jìn)行反相輸出，做恒流源，恒壓源。在電源電路中，運(yùn)放還可以進(jìn)行檢波、精密半波整流等等。但是，在傳感器領(lǐng)域，運(yùn)放最受重視的，還是精密的小信號(hào)放大能力，也是最為人所熟知的。

就像在額溫槍的部分所說(shuō)到的，對(duì)于產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，不同的方案有不一樣的標(biāo)準(zhǔn)和保障精度，所以選擇的運(yùn)放標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。無(wú)論如何選擇，傳感器總是離不開運(yùn)放的。

3PEAK旗下目前有納安運(yùn)放、低噪運(yùn)放、零漂運(yùn)放、高速運(yùn)放、微功耗運(yùn)放等，精密度和影響能夠滿足工程師的設(shè)計(jì)需求，應(yīng)用于測(cè)溫槍和手持云臺(tái)的有TP5551，是低噪聲的零漂單運(yùn)放；應(yīng)用于紅外熱成像儀和掃地機(jī)的TPH2501 / TPH2502，是高速運(yùn)放；此外，3PEAK的預(yù)算放大器產(chǎn)品在家用電器、無(wú)人機(jī)、光伏逆變器、共享單車等領(lǐng)域都有應(yīng)用。

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