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作者：ADI公司 Hooman Hashemi 摘要 儀表放大器（IA）是檢測應用的主力。本文將探討一些利用儀表放大器的平衡和出色直流/低頻共模抑制（CMR）特性的方法，使得儀表放大器配合阻性傳感器（例如應變計）使用，傳感器與放大器在物理上分離。本文將提出一些提高此類增益級的抗噪性，同時降低其對電源變化和元件漂移的敏感性的方法。文章還會提供實測性能值和結果以展示精度范圍，方便最終用戶應用進行快速評估。 詳細說明 說到傳感器，幾乎沒有什么能比得過惠斯登電橋（圖1）。該電橋可產生差分電壓，當物理參數變化時，差分電壓會隨之發生可預測的變化。差分電壓還有抑制溫度和時間漂移的附帶好處。差分電壓位于較大共模（CM）電壓之上。使用儀表放大器來放大電橋提供的小信號。儀表放大器的優點在于，在電橋元件負載很少或沒有負載的情況下，它可以檢測差分電壓并將CM抑制到傳統運算放大器無法實現（因為要求外部電阻高度匹配）的程度。 
圖1.惠斯登電橋 物理測量所用的電子設備常常遠離被測物理參數。例如，埋在卡車稱重站路面下方或橋梁結構內的應變計測量，不太可能位于讀取測量結果的電子設備旁邊。當使用雙線四分之一橋接應變計（例如Omega公司的SGT-1/350-TY43）時，傳感器放在遠離檢測放大器的地方，如圖2所示，產生的結果不令人滿意，即便傳感器引線使用屏蔽雙絞線也無效。 問題在于，屏蔽雙絞線不是對長電纜線路上的所有干擾都能抑制。在這種情況下，不能依靠儀器的良好平衡輸入來消除CM影響。長電纜拾取的干擾對放大器正負輸入的影響是不均衡的，而且輸入包含CMR無法消除的不相關信號。因此，如圖3所示，由于對CM噪聲（看似如此）的響應不平衡，在電路輸出端發現明顯噪聲并不奇怪。
圖3.麻煩的放大器輸出端120 Hz噪聲（0.1 V/div，2 ms/div） 為了從CM（直流和干擾）中成功提取很小的電橋差分電壓，一種解決方案是使用兩對屏蔽或非屏蔽雙絞線（UTP）。這樣，儀表放大器的兩個輸入實現均衡，受到的CM噪聲影響相同，如圖4所示。諸如LT6370之類的器件具有出色的低頻CMR（120 dB），能夠可靠地抑制困擾IA輸入的噪聲。結果，即使在嘈雜的環境中，遠距離輸出波形也很干凈。
圖2.遠程傳感器設置受到環境噪聲拾取的影響
圖4.使用兩根非屏蔽雙絞線進行遠程檢測
圖5.用于遠程檢測的單根UTP 有了LT6370的全部CMR功能，我們可以更進一步，通過減少一對接線來簡化配置，僅留下一根UTP。此概念如圖5所示，其中U2的輸入保持平衡以獲得良好的CMR。注意UTP引線看起來與U2相同，并有相同的對地阻抗（R2、R4）。 對于圖5所示的元件值，流過傳感器RSENSOR的電流約為1 mA。使用U1的RG1值，該級以G = 10 V/V運行，輸出電壓為RSENSOR上電壓的10倍放大副本，約為3.5 V。U1的主要任務是消除UTP長導線上存在的且僅響應傳感器電壓的干擾，傳感器電壓等于傳感器電阻乘以流經其中的約1 mA電流。LT6370出色的低失調電壓和漂移，以及優異的CMR特性，使其成為顯而易見的選擇。 惠斯登電橋的另一半由R5、R6和VR1組成，其電流與電橋的傳感器部分幾乎相同。U1輸出端的傳感器電壓和VR1游標處的基準電壓均經過低通濾波后達到U2的差分輸入端，以消除干擾噪聲。U2設置為高增益（G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V），以放大正輸入端上的非常小的傳感器電壓，而負輸入端上是固定的低噪聲基準電壓，自基準電壓源LT6657-5產生。U1輸出精確代表實測的施加于傳感器（其附著于目標元件或材料）的應變，以驅動ADC或其他類似的信號處理。 可選DAC和OPA（U4、U5）連接到U2的REF引腳（如果不需要偏移調整，可以將其接地），可用于提供輸出偏移調整和調零。使用DAC可以將U2輸出電壓移動到適合所選ADC的基準或CM電平。例如，基準電壓為5V的ADC可以直接從U2驅動，使用DAC驅動U2 REF輸入，將其零輸出設置為2.5V。這樣，0 V至2.5 V ADC模擬輸入代表壓縮應變，2.5 V至5 V信號代表拉伸應變。需要注意的是，驅動U2 REF引腳的器件（本例中為AD820）應保持低阻抗，以消除任何可能的增益誤差。 以下是輸出電壓與傳感器電阻的關系以及輸出電壓與被測量應變(ε)的關系的表達式： ΔVO = 1 mA × ΔRSENSOR × G1 × G2 其中，ΔRSENSOR為應變引起的傳感器電阻的變化
RSENSOR 應變計因數（GF） 其中： L指傳感器長度 ε指被測應變量 對于所選的傳感器： Rsensor = 350 Ω GF = 2 產生的應變（ε）為：
LT6370的超低增益誤差（G = 10 V/V時小于0.084%）和低輸入失調電壓（全溫度范圍內最大值小于50μV），保證U2獲得傳感器電壓的真實副本，減去UTP拾取的干擾，與U2反相輸入端產生的基準電壓進行比較。LT6657-5產生穩定、低噪聲、低漂移的基準電壓，使整個電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是，LT6657-5的1/f噪聲很低，這點意義重大，因為電路的增益很大。 U2每個輸入端的簡單RC低通濾波器（R9、C2和R10、C3）的滾降頻率設置為約10 Hz，輸出噪聲可以通過限制帶寬來降低。如圖6所示，LT6370的1/f噪聲轉折頻率很低（<10 Hz），1/f噪聲的影響很小，這是一個優勢。此外，電流噪聲密度圖顯示，利用輸入端噪聲的相關分量，保持兩個輸入阻抗平衡以使電流噪聲影響最低要好得多。因此，由于VR1的游標具有等效阻抗，R10的值降至3.74 kΩ，以與4.75 kΩ的R9阻抗匹配。 結語 電橋傳感器遠離信號處理放大器，需要儀表放大器來提取干凈的實測差分電壓。LT6370儀表放大器的特性使其能夠成功處理遠程傳感器通過長電纜傳來的信號。LT6370制造工藝在生產測試期間調用片內加熱器來保證溫度漂移值，進一步增強了LT6370對遠程監控應用的適應性，并延長了其在難以維修的設備中的使用壽命和產品壽命。
圖6.LT6370輸入基準電流/電壓噪聲密度 Hooman Hashemi Hooman Hashemi [hooman.hashemi@analog.com]于2018年3月加入ADI公司，從事新產品表征和展示產品特性與用途的應用開發工作。Hooman此前曾在Texas Instruments工作了22年，擔任應用工程師，專注于高速產品系列。他于1989年8月畢業于圣克拉拉大學，獲電氣工程碩士學位；1983年12月畢業于圣何塞州立大學，獲電氣工程學士學位。 |
