基于“零漂移”仪表放大器的传感器电路优化方案.pdf

传感器测量通常是将感兴趣的物理现象转换为电子电路参数，如电阻和电容，然后再用桥电路进行读取。桥电路再产生与温度和电源电压5MAX4194/MAX4195Vcc=+5 V/+3 VG=+l V/EE-0REF=+25V/+1.5V=+258CA503D4.9Output voltage)仪表放大器在不同共模电压处的有限传输特性(在高增益处眼图有所压缩因此,大多数三运放|A的数据手册都给出了可用的输入共模电压对输出电压的曲线图。因为输出电压只是按比例缩放的输入差分电压,因此这种图中的两个轴可标记为输入共模电压对输入差分电压”。六边形内的灰色区域代表了“有效”工作区,在这个区域内放大器A1和A2的输出不会饱和至电源电压轨。请注意,图2所示的图形对单电源应用有重要的含义。共模电压很容易接近电路地电平,这是灰色区域不能延伸到的地方!因此某些应用(如低边电流检测)不能使用传统的三运放A,因为它们的输入共模电压等于地电平三运放IA可以通过匹配差分放大器周围的片內电阻而获得较高的共模抑制性能,但这种IA的反馈榘构将大大降低交流CMRR。为克服这些缺点,业界开发出另种IA架构,例如2gm间接电流反馈方法(图3)08MAX4462OUTOUTRFBREFREHN/MODECKB9SCNG=l+R2/RIIA的间接电流反馈架构山两个匹配的跨导放大器和一个高增益放大器组成这种架构由两个匹配的跨导放大器和一个高增益放大器组成。这两个匹配的放大器的gm的相同,在输入端将产生相等的差分电压,因此输出电压取决于电阻分压比RfRg。输出共模电压通过REF引朋上的电压设定。由输入gm放大器实现的电压到电流转换电路天生就能抑制输入共模电压,从而使放人器具有高的直流和交流CMRR。即使输入共模电压等于负电源电压轨,间接电流反馈IA架构也能实现满崛输岀电压,因此这种间接电流反馈IA的工作范围要比三运放IA架构笕得多。美信集成产品公司( Maxim)的MA×446012和MAX4208/9便是这类A产品。偏移抵消技术;跟随漂移?A的两个重要指标是粉色噪声(也称为1/或闪烁噪声)和输入偏移电压及其相对温度和时间的漂移。1所噪声是一种低频现象,许多用于实现“零漂移”和输入偏移电压抵消的电路技术冋样能消除1斤噪声。这些技术包括采样放大器、自动调零放大器、斩波放大器、斩波稳定放大器以及斩波斩波-稳定放大器(如MA×4208)A也能采用基于飞跨电容的采样技术实现输入偏移电压的自动校正。然而,因为用于采样的输入端不是真正的高阻抗结构,所以源阻抗的失配很容易降低系统级的精度。应用实例下面介绍两种A应用,一种是比例桥电路,另一种是低边电流检测放大器。1.比例桥比例桥是标准桥测量系统的一个变种,它能提供同样高的精度,但成本更低。成本低的原因是比例桥不需要用高精度的参考源驱动桥和ADC参考输入,一个“自由”但相对精度不高的高ppm(参考信号源就可以同时驱动桥和ADC。众所周知,即使具有“轨到轨”输出的运放在驱动其输出到数百毫伏的任一电压轨时也很难保持最人精度。因此,对具有高动态范围和单极信号翰入的放人器来说,有必要将输岀偏置在大于地电平约250mV左右。这种偏置电压需要驱动电阻链的一端,因此必须加入低输出阻抗的缓冲器进行驱动,以免引入不必要的增益误差。为尽量减小输出误差,这种单位增益运放缓冲器也应具有低直流偏移和低漂移特性。MAX4208仪表放大器在小型μMAX封装内集成了一个高精度的零漂移运放缓冲器和一个2gm的间接电流反馈IA,其中的缓冲器允许用一个简单的外接电阻分压器建立稳定、与ADC参考电压成比例关系的偏置参考电压。该缓冲器还能驱动差分输入ADC的一个输入端。IA内部的斩波-波-稳定架构可以同时消除主(前冋)和反馈通道中运放缓冲器和放大器的粉色噪声效应。此外,MAX4208还具有对功率敏感应用非常有用的断电模式。2完美的电流检测如今的便携式电子设备对有效功率管理的需求越来越大,这重新引起了人们对电流检测放大器的兴趣。地电平检测A可以用作存储器模头或微处理器的内核电压路径中的高边电流检测放大器(图4),也可以用作H桥功率电子转换器反馈路径中的低边电流检测放大器。为检测计算机应用中的大电流,可以将地电平检测A用作内核电压路径中的高边电流检测放大器。这些应用中的电流特别高(有时接近90A),因此检测电压必须非常小才能避免在检测电阻上产生过多的功率损失。通常,这个检测电阻可能是电源电感本身的ESR。为精确读取这个很小的检测电压,输入偏移电压与将被高精度放大的最小检测电压(即最小负载电流)湘相比必须非常小。计算机硬件的内核电压可能在0.9到1.5V范围内变化,因此这种很小的检测电压必须在很低且不断变化的共模电压环境下测量。诸如MAX4208这样具有低∨OS、高CMRR且架构针对单电源应用专门优化过的A就非常适合这种应用场合