仪表放大器及在智能化仪器中应用.docx
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仪表放大器及在智能化仪器中应用
仪表放大器及在智能化仪器中应用
河南省平顶山工业职业技术学院王岗岭樊建文韩建军
摘要:
在智能化传感器系统中广泛采用多路开关和仪表放大器构成信号放大处理电路,放大差分信号的仪表放大器在设计使用过程中应考虑到输入共模信号的范围、输入偏置电流回路设置、增益的选择、调零、滤波等因素,以及所选择的信号输入方式。
针对这些问题进行了较详细的讨论。
关键词:
仪表放大器设置应用
仪表放大器具有的高精度、低漂移、低功耗、高共模仰制比、电源供电范围宽、体积小等优点,在数据采集系统、电桥、热电偶及传感器等高分辨率的智能化仪表放大电路中得到了广泛的应用。
1.仪表放大器的结构、电路原理及电气参数
仪表放大器一般是集成三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成,内部阻值的校准保证用户只需要外接一个不需要精密匹配的电阻,即可实现最高达万倍的增益精确设定,减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差。
而美国德州仪器公司推出的精密仪表放大器INA326/327等(INA326采用8脚MSOP封装,INA327采用10脚MSOP封装),它在传统的三片运放式的基础上作进一步改进,将电阻网络改变为四个镜像电流源电路,可将输出电压信号转换为电流信号并进行处理,不需要精密匹配的电阻,就可有效地抑制共模输入电压,共模抑制比可达114dB(典型值)。
INA326/327仪表放大器具有高精度、低失调电压、高共模仰制比和较低温漂、线性度好、工作频带宽等优点,其输入或输出接近于电源电压,因此能够提高输入和输出的动态范围,适合对各种微小信号进行放大。
INA326的结构原理图见图1。
电路原理:
同相输入端VIN+与反相输入端VIN-可分别通过运算放大器A1、A2作用于R1,来自A1输出级的流过R1电流IR1和复制于A1的镜像电流IR1汇合后,进入A2,A2输出级输出2IR1,由于镜像电流作用将在脚5流出(或输入)电流为2IR1,因此,其电压增益为:
Au=2R2/R1
由于内部电源泵可分A1、A2及相关电源提供所需电压,且其值可超过电源正负限。
因此,加在其两端的电压可达到-20mV~+100mV。
A3是电压跟随器,起缓冲输出作用,其输入级亦由电源泵供给。
INA326的主要电气参数如表所示。
INA326的主要电气参数
参数
典型值
单位
增益公式
(外接电阻设置增益)
Au=2(R2/R1)
增益范围
0.1~10000
V/V
增益误差
±0.08
%
线性误差
±0.004
%ofFS
增益温度系数
±6
ppm/℃
输入失调电压
±20
μV
失调电压漂移
±0.1
μV/℃
输入偏置电流
±0.2
nA
差分输入电阻/电容
1010/2
Ω/pF
共模输入电阻/电容
1010/14
Ω/pF
输入电压范围
(V-)-0.02~(V+)+0.1
V
安全输入电压范围
(V-)-0.5~(V+)+0.5
V
共模抑制比
114
dB
频率响应宽度(-3dB)
1
kHz
输出短路电流
±25
mA
容性负载驱动能力
500
pF
工作环境温度范围
-40~125
℃
贮存温度范围
-40~150
℃
2.增益设置方法
由内部结构可知,INA326是一个2级放大器,每级的增益分别由R1、R2设置,总增益Au=2R2/R1。
外接电阻R1、R2除对增益起决定性作用外,也直接影响放大器的稳定性及温度漂移,在要求精度较高时,应尽量采用低温度系数的精密电阻。
另外,连接R1、R2的布线及集成电路插座电阻也会产生增益误差,所以,在要求精度较高时,不能采用插座,要直接焊接,同时应尽量减少1脚与8脚的杂散电容,并将4脚与7脚用电容相连接。
外接电阻在+5V单电源或±2.5V双电源两种情况下有着不同的最佳配置。
R1的最佳值可通过式R1=VIN(max)/12.5μA来计算,但在使用中R1不应小于2kΩ,否则会影响电路的稳定性。
即总增益设置的条件为
Au=2R2/R1,(R1≥2KΩ)
3.典型应用
INA326的一种典型应用电路如图2所示。
图中OPA551是电压差为60V运算放大器,可实现高达±27V的输出。
其输出电压Vo可通过RF进行反馈,这样,增益为Au=-RF/R1=-100。
由于INA326中内部电源泵的作用,其5脚的电压值可达VGND-20mV,因此,无需在5脚端连接附加的负电源。
在该电路中,IB引起的失调电压很微弱,为100pA×2kΩ=0.2μV。
图3是应用INA326设计的精密满幅度电压跟随器。
当该电路的输入为高频信号时,应当在电路中接入电容C1,并取C1=100C2。
该电路没有CMOS运算放大器常见的N/P输入级跨接效应,因此具有非常好的线性。
4.应用时注意的问题
4.1输入端偏流回路的设置
一般来说,选择差分信号测量的工作方式时,后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。
仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010Ω数量级,相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道,以提供共模电流反馈回路,例如仪表放大器INA326输入偏置电流大约为±0.2nA。
由于仪表放大器的输入阻抗非常高,使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小,对差分信号放大不会产生太大影响。
输入偏置电流是仪表放大器输入三极管所必须的电流,电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路,如果电路中没有输入偏置电流通道,传感器的输入将处于浮电位状态,而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围,使输入放大器饱和而失去放大功能。
针对实际的应用情况,输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式,分别如图4、5、6所示。
其中4为差分信号源阻抗较高时常用的形式,图中的两个接地电阻相等,以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响;图5为信号源阻抗较低时采用的形式(如热电偶);图6为对称结构常用的形式。
从图4、5、6的三种结构可知,在输入通道设置偏置回路是通过在差分输入端与地之间接适当电阻实现的,具体电阻值的大小根据实际情况而定。
4.2输入共模电压范围的设置
仪表放大器对共模信号有较强的抑制作用,例如INA326,共模抑制比可高达114dB,但这是在放大倍数、输入共模电压在一定范围内以及输入共模电压的频率较低的条件下才可以达到的。
而所放大的差分信号,是指仪表放大器的两个输入端对地所存在的差值。
图7是一个典型的惠斯通电桥应用电路,桥路供电电压为10V,桥臂电阻如图7中所示。
根据其中的条件可以得到共模电压值为5V,而差模电压的大小为0.005V,经过仪表放大器差分运算后输出为对地的单端信号。
其中共模电压由于仪表放大器的高共模抑制比而不能通过,放大的是两输入端的差模电压。
仪表放大器抑制的共模信号既可以是交流信号也可以是直流信号,但这是受一定条件限制的,并非任何情况下的共模信号通过时都有同样的抑制比,选择时应注意相应的应用范围。
其一,输入共模电压的范围与供电电压有关,在输入共模电压大约小于供电电压1.25V左右时,才有较理想的抑制比。
一般仪表放大器的供电电压允许在很大的范围内变化,在一定的应用场合下,如果共模电压较大时,相应仪表放大器要选择较高的供电电压才能获得理想的效果。
如图7中共模电压为5V,则仪表放大器的电源电压应为6.25V以上,否则不能将仪表放大器作为前置信号放大级。
其主要原因是仪表放大器的前面一组放大器A1、A2容易饱和。
其二,输入共模电压抑制能力与共模电压的频率相关,频率越高,抑制效果越差。
其三,共模电压的抑制能力与增益大小相关,在低增益工作段,共模抑制能力较差;在1000左右的放大倍数,共模抑制能力较好。
需要特别注意的是,有时当输入共模电压超过其允许的范围时会出现输出似乎正常的情况,这主要是由于A1、A2放大器输出饱和导致A3放大器测得的输出为零造成的。
例如,当两个差分输入端电压超过A1、A2的共模输入所允许的范围时,将造成共模抑制比急剧下降,共模信号会有输出,但由于A1、A2饱和,使其输出电压相等,最后使整个放大器共模输出电压为零,给人们造成似乎正常的错觉。
智能化传感器中应用仪表放大器时应注意的问题
中国科学院智能机械研究所(传感器技术国家重点实验室合肥230031)
吴仲城
摘要在智能化传感器系统中广泛采用多路开关和仪表放大器构成信号放大处理电路,放大差分信号的仪表放大器在设计使用过程中应考虑到输入共模信号的范围、输入偏置电流回路设置、增益的选择、调零、滤波等因素,以及所选择的信号输入方式。
针对这些问题进行了较详细的讨论,并指出仪表放大器在未来嵌入式智能网络化的传感器设计中有十分广阔的用途。
关键词仪表放大器 差分信号 单端信号
1序言
仪表放大器(IA)由于其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点,在数据采集系统、电桥、热电偶及温度传感器的放大电路中得到了广泛的应用,它既能对单端信号又能对差分信号进行放大。
在数据采集系统中,一般需要实现对多路信号进行数据采集,这主要是通过多路开关来实现对多路信号的切换。
实际应用中,针对不同的测量对象可以分别选择单端信号或差分信号的输入方式来实现对信号的获取,一般市场上所有的多路信号采集系统基本上都具备这种功能。
差分仪表放大器具有对差分信号进行放大,对共模信号加以抑制的功能,但是并非所有差分信号输出的场合可以直接使用仪表放大器作为前置信号放大级,具体来说必须考虑到共模信号的大小、差分信号的大小、放大倍数的选择、输入信号的频率范围等因素,同时针对输入信号的具体情况可以选择单端信号输入方式或者差分信号输入方式。
下面对仪表放大器在实际应用中所涉及到的这些问题分别加以阐述。
2仪表放大器的结构
仪表放大器一般是由三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成,如图1所示。
在传统的三片运放方式的基础上做一些改进,内部阻值的校准保证用户只需要外接一个电阻即可实现由1到上万倍的增益精确设定,减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差,同时这种结构保证其具有高输入阻抗和低输出阻抗,且每一路输入都有输入保护电路以避免损坏器件。
由于采用激光调阻,使其具有低失调电压、高共模抑制比和低温漂。
图1所示为BB(BurrBrown)公司的INA114、INA118等仪表放大器的结构原理框图及引脚。
在实际应用时,正负电源引脚处应接滤波电容C,以消除电源带来的干扰。
5脚为输出参考端,一般接地。
实际应用中即使5脚对地之间存在很小的电阻值,也将对器件的共模抑制比产生很大的影响,如5欧姆的阻值将导致共模抑制比衰减到80dB。
图1仪表放大器的结构原理框图
3应用中应考虑的问题
3.1输入偏置电流回路
一般来说,选择差分信号测量的工作方式时,后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。
仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010Ω数量级,相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道,以提供共模电流反馈回路,例如仪表放大器IN118输入偏置电流大约为±5nA。
由于仪表放大器的输入阻抗非常高,使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小,对差分信号放大不会产生太大影响。
输入偏置电流是仪表放大器(IA)输入三极管所必须的电流,电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路,如果电路中没有输入偏置电流通道,传感器的输入将处于浮电位状态,而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围(其值与放大器的供电电压相关),使输入放大器饱和而失去放大功能。
针对实际的应用情况,输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式,分别如图2所示。
其中(a)为差分信号源阻抗较高时常用的形式,其中的两个接地电阻相等,以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响;(b)为信号源阻抗较低时采用的形式(如热电偶);(c)为对称结构常用的形式。
从图2的三种结构可知,在输入通道设置偏置回路是通过在差分输入端与地之间接适当电阻实现的,具体电阻值的大小根据实际情况而定。
3.2输入共模电压范围
仪表放大器对共模信号有较强的抑制作用,例如INA114,共模抑制比可高达120dB,但这是在放大倍数、输入共模电压在一定范围内以及输入共模电压的频率较低的条件下才可以达到的。
图2输入共模偏置电流通道设置的几种形式
图3共模电压与差模电压
而所放大的差分信号,是指仪表放大器的两个输入端对地所存在的差值。
图3是一个典型的惠斯通电桥应用电路,桥路供电电压为10V,桥臂电阻如图3中所示。
根据其中的条件可以得到共模电压值为5V,而差模电压的大小为0.0144V,经过差分IA后输出为对地的单端信号。
其中共模电压由于IA的高共模抑制比而不能通过,放大的是两输入端的差模电压。
仪表放大器抑制的共模信号既可以是交流信号也可以是直流信号,但这是受一定条件限制的,并非任何情况下的共模信号通过时都有同样的抑制比,选择时应注意相应的应用范围。
其一,输入共模电压的范围与供电电压有关,在输入共模电压大约小于供电电压1.25V左右时,才有较理想的抑制比。
一般仪表放大器的供电电压
允许在很大的范围内变化,如INA114,INA118等在±2.25V到±18V内都可以使用,在一定的应用场合下,如果共模电压较大时,相应仪表放大器要选择较高的供电电压才能获得理想的效果。
如图3中共模电压为5V,则仪表放大器的电源电压应为6.25V以上,否则不能使用仪表放大器作为前置信号放大级。
其主要原因是IA的前面一组放大器A1、A2容易饱和。
其二,输入共模电压抑制能力与共模电压的频率相关,频率越高,抑制效果越差。
其三,共模电压的抑制能力与增益大小相关,在低增益工作段,共模抑制能力较差;1000左右的放大倍数,共模抑制能力较好。
INA114、INA118基本上在1MHz频率范围内的共模抑制能力都能够达到80dB左右。
特别需要注意的是,有时当输入共模电压超过其允许的范围时会出现输出似乎正常的情况,这主要是由于A1、A2放大器输出饱和导致A3放大器测得的输出为零造成的。
例如,对于上面提到的INA114,当两个差分输入端电压超过A1、A2的共模输入所允许的范围时,将造成共模抑制比急剧下降,共模信号会有输出,但由于A1、A2饱和,使其输出电压相等,最后使整个放大器共模输出电压为零,给人们造成似乎正常的错觉。
3.3差分放大器的差模放大倍数
此器件的差模放大倍数由1、8脚之间的外接电阻Rg决定(见图1),以INA114为例,放大倍数可按下面公式计算
(1)
其中50kW为放大器A1、A2的反馈电阻之和,并且这两个电阻都经过激光调阻修正,以保证精度和温度系数满足使用要求。
实际上外接增益调整电阻对放大器的增益精度和温漂影响较大,必须选择温度系数小的高精度电阻。
需要强调的是,从上述的增益计算公式中可以看出,对小信号放大需要较大增益时,电阻Rg值较小,如2000倍的增益对应的Rg值为25.01欧姆。
如果线路中的电阻与之可比拟,则对放大倍数影响很大,会带来增益误差,在某些情况下,甚至造成增益的不稳定,影响测量精度。
因此对于弱信号比较理想的选择是采用多级放大的方式,尽量避免使用放大器的高增益段。
同时必须注意外接电阻Rg实际上是引脚1和8之间的阻抗,为了减小增益误差应避免与Rg串联较大的寄生电阻。
为了减小增益漂移,外接电阻的温度系数必须很低。
另外增益的大小与被测信号频率高低关系极大。
以INA114为例,根据该器件的增益带宽积指标,当输入信号频率在1kHz时,增益大小不能超过1000倍;当输入信号频率为10kHz时,则增益值不能超过100倍。
3.4调零
仪表放大器一般都通过激光调阻,在通常应用情况下,其本身不存在零点的漂移,但是在应用传感器的数据采集系统中需要对传感器的信号进行A/D转换,即将传感器的信号转换为A/D输入的标准电平,故需要零点调整。
调整功能的实现是通过改变仪表放大器的参考电压实现的,放大器A3的实际输入电压等于放大器A1、A2放大后的电压加上参考电压。
在实际应用中必须注意参考电压的获取,因为参考端对地的阻抗将影响放大器的共模抑制比,理想的情况是选择低内阻的恒压源作参考电压。
与一般调零电路不同,这里可以在普通的调零电路基础上增加一电压跟随器来实现低阻抗的基准电压源。
对于仪表放大器来说,当负载与信号源系统之间地电位不能精确相等时,通过参考端来调零将简化后续电路。
在参考端所加调零电压的范围必须在小于电源电压2V以内,且考虑到获取最佳的共模抑制比,寄生电阻同样必须限制到最小值,尽量接近零电阻。
因为任何较大的电阻(包括印刷电路布线或其它原因引起的电阻)都将使共模抑制调整失去平衡。
3.5输入方式、输入保护及前置差分滤波器
1.输入方式选择
如果数据采集系统的可用通道数不影响信号的采集,应根据信号源的特性来选择输入方式。
如果多路输入信号存在一公共端(共地),选择单端输入方式基本可以满足要求,否则选择差分方式。
对于选择差分信号输入,必须考虑到上面提到的一些问题:
共模电压范围、工作频率等,当不满足上面提到的条件时,应选择其它的放大器作为数据采集系统的前置放大级,例如OP07系列。
2.输入保护
在电路设计中,还必须考虑到输入电路的保护。
尽管仪表放大器内部都有过载保护电路,但它有一定的范围,而在很多的应用场合下,信号源的供电电压和芯片供电电压不一致,当信号源(例如传感器)出现故障时可能引起信号源的电压直接加在放大器的输入端,当超过允许范围时会损坏放大器。
不同厂家提供的仪表放大器,保护范围是不一样的,BB公司提供的INA11´具有40V的对地保护电压,而AD公司产品保护的范围要小一些,一般需要设计外接的保护电路,具体可以参见相应产品的设计手册。
3.前置差分滤波器
在使用仪表放大器的数据采集系统中,当多个信号源的频带不一致的时候,差分信号相互之间存在干扰,这时需考虑滤波器的设计。
单端方式输入时,相关滤波器的设计方法介绍较多,可参见相应的资料。
对于差分输入存在差分干扰的情况,当干扰信号超过有用信号时,必须考虑设计差分滤波器。
差分滤波器必须满足差分输入差分输出,具有高的共模抑制比及低输出阻抗。
另外使用差分滤波器还可以增加仪表放大器所允许的共模输入电压范围,图4是一个简单的由阻容元件构成的一阶差分滤波器,其中电阻R1=R2,C1=C2。
滤波器的频率特性由RC确定。
图中Vdi表示差分输入信号,Vdo表示差分输出信号,将滤波器看成一四端网络,则系统满足如下关系:
(2)
图4一阶差分滤波器
式中H(jw)为滤波器传输函数。
目前仪器仪表技术已朝着网络化、虚拟化的方向发展,随着各种现场总线及总线接口标准的实施,这种趋势的发展速度将越来越快,而作为其最底层的传感器/执行器本身的智能化是构成这种技术的基础。
由于仪表放大器本身所具有的优越性,使其在传感器信号处理中得到了广泛的应用,它将有效地减小传感器信号处理电路所占用的空间,对于构成嵌入式智能传感器有着十分重要的意义。
参考文献
1PrecisionInstrumentationAmplifierINA114/118DataSheet.Burr-BrownCorporation,1993
2PredSchraff.Choosingdifferentialorsingle-endedmeasurementsfordataacquisitionsystems.Sensors,1999.6
3GainsProgrammableInstrumentationAmplifierAD625DataSheet.AnalogDeviceCorporation,1996
4吴仲城,虞承端.嵌入式智能传感器的设计.安徽省仪器仪表,’99年会,1999.11
5吴仲城,虞承端.网络智能化变送器的设计.中国仪器仪表
基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计
1引言
传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性,例如温度、力、压力、流量、位置、光强等。
这些特性对传感器起激励的作用。
传感器的输出经过调理和处理,以对物理特性提供相应的测量。
数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备,以数值计算的方式对信号进行采集、变换、估计与识别等加工处理,从而达到提取信息和便于应用的目的。
仪表放大器具有非常优越的特性,能将传感器非常微弱的信号不失真的放大以便于信号采集。
本文介绍在一个智能隔振系统中,传感器数据采集系统具有非常多的传感器,而且信号类型都有很大的差别的情况下如何使用仪表放大器将传感器信号进行调理以符合模数转换器件的工作范围。
2仪表放大器在传感器信号调理电路中的应用
仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器,他具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。
差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件(运算放大器)基本相同,他们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。
标准运算放大器是单端器件,其传输函数主要由反馈网络决定;而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号,因而具有很高的共模抑制比(CMR)。
他们通常不需要外部反馈网络。
仪表放大器是一种具有差分输入和其输出相对于参考端为单端输出的闭环增益单元。
输入阻抗呈现为对称阻抗且具有大的数值(通常为109或更大)。
与由接在反向输入端和输出端之间的外部电阻决定的闭环增益运算放大器不同,仪表放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。
利用加到两个差分输入端的输入信号,增益或是从内部预置,或是通过也与信号输入端隔离的内部或外部增益电阻器由用户设置。
典型仪表放大器的增益设置范围为1~1000。
仪表放大器的特点:
(1)高共模抑制比
共模抑制比(CMRR)则是差模增益(Ad)与共模增益(Ac)之比,即:
CMRR=20lg(Ad/Ac)dB;仪表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR典型值为70~100dB以上。
(2)高输入阻抗
要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗,仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡,其典型值为109~1012Ω低噪声由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压,因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上,在1kHz条件下,折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/Hz。
(3)低线性误差
输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正,但是线性误差是器件固有缺陷,他不能由外部调整来消除。
一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%,有的甚至低于0.0001%。
(4)低失调电压和失调电压漂移
仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成,输入和输出失调电压典型值分别为100uV和2mV。
(5)低输入偏置电流和失调电流误差
双极型输入运算放大器的基极电流,FET型输入运算放大器的栅极电流,这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。
双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1nA~50pA,而FET输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50pA。
(6)充裕的带宽
仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽,典型的单位增益小信号带宽在500kHz~4MHz之间。
具有“检测”端和“参考”端仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端,允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降(IR)的影响可减至最小。
为了有效地工作,要求仪
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