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几种传感应用及信号放大方案分析
作者:Richard Wegner 高级产品营销经理  Cirrus Logic公司
文章摘自:<<电子工程专辑>>

在高性能数据采集系统的设计中,人们可能很少注意到,实现性能目标的最大障碍通常出现在模数转换器之前的信号输入通道。在进入复杂的混合信号电路之前,小信号处理电路非常关键。在小信号处理电路中,由放大器带来的噪声是不可避免的,事实上这将决定系统可能实现的最佳信噪比。在本文中,我们将以称重计和温度测量为应用实例,讨论在测试应用中如何通过高精度放大器提高测量精度的方法。

应用实例分析

1. 称重计应用
称重计应用在从浴室到工厂车间的各种场合中,满量程从小于250磅到上千吨。称重计都是基于薄膜金属应变片加上精心设计的金属杆结构,这些应变片连接成传统的电桥结构以实现最大的灵敏度。它通常可以提供1~4mV/V的满量程输出,而采用5V激励的最大输出信号就是20mV。

在1盎司分辨率的高性能测量条件下,要显示多达1吨(2000磅)的重量量程,我们将需要超过30,000个计数。为了在这个分辨率获得精确的测量,需要一个可以提供125倍信号增益的放大器将A/D转换器的20mV的输出提高到2.5V,而且环路增益需要超过30,000,以保证满足其分辨率的线性度。

2. 温度传感器
高精度温度测量是高分辨率数据转换器十分普通和迫切需要的另一种应用。在大多数情况下,所选用的传感器是热电偶。K型比例系数(由一片镍络合金和一片镍铝合金接合形成)为每度大约40uV,而S型(由铂铑合金和铂接合形成)的输出大约为每度10uV。在测量范围内必须对非线性误差进行校正非常重要,这使测量工作进一步复杂化。在使用热电偶时还会遇到其它电路问题,如热电偶的连接需要保护电路等。

在整个测量范围内,热电偶的输出通常可以达到20mV到50mV,或更高。在使用K型接点的情况下,在1,000度范围内获得0.1度分辨率的测量精度(或者是10,000个计数),使满量程测量等于40mV似乎简洁当的方法。其他误差包括运算放大器的输入漂移和0.25至0.5度的热电偶非线性误差。

3. 热电堆
热电堆(thermopile)是热电偶的一个变种,它由若干薄膜热电偶接点层组成一个传感器堆,其每个金属接线对都是由一个隐藏的“冷”边和一个暴露在入射光的“热”边组成。它可用来进行激光功率、热和火焰检测测量。满量程输出通常不到1mV,10万分之一满量程的测量光输出相当于不到10毫微伏。对于这种应用,找到一个低成本、高增益、低噪声和低漂移放大器将是一个很大的挑战。

影响精度的误差分析
典型的AD转换器框图如图1所示,主要的误差影响因素包括参考电压误差、放大器误差、传感器误差以及噪声对测量精度的影响。了解这些误差有助于设计工程师更好地应对提高测量精度的设计挑战。

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                               图1:典型的AD转换器框图

1. 参考电压误差
因为参考电压是用来与实际测量值进行比较的,因此这个参考电压的实际值非常重要,需要对参考电压进行周期性校准或软件校准以修正这个基本的测量误差。而且,精心设计的参考电压可以用来最大限度地减少由于温度造成的漂移。在超过0℃至40℃的条件下,一个100ppm/℃的温度系数的误差可能是4,000ppm,或满量程范围的0.4%。我们能够利用软件修正这个误差,不过它将直接降低有效范围。

2. 放大器误差
由输入放大器直接强加在输入信号上的误差会影响测量精度。以测压力元件为例,一个20mV的满量程信号将会有5%偏移,即1mV输入偏置电压。这个输入偏置误差可以直接降低测量精度,用足够动态范围的A/D转换器就可能利用软件消除这个误差。这个误差也有一个与温度有关的成份,称为输入偏置漂移,必须认真考虑并进行修正。偏置电流,也称为输入漏电流,它能在高阻抗传感器或传感器管脚或者是传感器与放大器输入之间的任何阻抗上造成直接的电压偏置误差。例如,如果输入偏置电流为0.1微安,在10欧姆电阻上的电压降就将产生1微伏的误差。

3. 传感器误差
修正传感器误差可能很困难。以测压力元件为例,虽然在生产过程中进行了仔细的线性校准,但是应用中不同设备之间的输出比例系数的变化仍然高达25%。在上述的称重实例中,参考电压通常是由测压元件的激励产生的,产生一种比例式测量(ratiometric measurement)方法,该方法可消除漂移误差。偏置电流与桥接电流量的比值可直接影响测量的精度。热电偶中的阻抗、热电堆保护和补偿电路使输入漏电流变得尤其重要。

4. 噪声影响
噪声有许多来源,而且通常是整个系统性能的决定性因素。来自外部的噪声更加难以控制,包括来自附近高速的数字逻辑电路、电源、风扇电机、电磁阀和射频EMI的耦合噪声,通过小心的接地设计、屏蔽技术和电路板布局等对于实现预期精度非常关键。选择一个引入噪声最小、具有消除外部引入误差并具有足够增益带宽的缓冲放大器,与上述减少任何输入误差的方法同样重要。

可以根据引入的噪声大小评价高精度放大器,在该测量对一项特定应用很重要时,其噪声量通常是根据对不受限制带宽(宽频带)信号的测量值来确定的,或者是在确定的带宽上得到的值。噪声规范通常是作为输入参考噪声,它是在输出与输入短路的条件下测量得出的值,因此完全是因为放大器本身产生的噪声。

使用A/D转换器时,背景噪声是可用测量精度的决定性因素。当一个器件的额定分辨率为24位时,由于噪声导致的局限性,通常转换器实现的实际精度更低。例如放大器的规格,制造商是根据噪声电平来确定他们的产品的,或者是根据极低噪声或有效位(分辨率,也称为ENOB)。事实上,有效位规格是由噪声电平RMS值计算出来的,极低噪声值则是基于峰-峰值,通常相当于统计RMS值的6.6倍之多。因此,极低噪声规格表示的是转换器的有效分辨率,在背景噪声以上LSB位依然保持稳定。由于这个值基于输入范围与测量得到的噪声的比值,需要特别注意的是规格中的限制条件,例如参考电压和输入范围可能因应用不同而异,数据手册上所承诺的与实际比值可能有相当大的差异。

放大器解决方案
我们已经了解到许多应用需要优异性能,放大器就是一种可有效地修正自身误差的低成本器件,同时也可以保证高增益配置的稳定性。斩波放大器是一种典型的可自修正放大器。

目前,优良的斩波放大器能够很容易地实现几个微伏的初始偏置误差及低漂移。不过,像任何放大器设计一样,要同时实现低噪声和高增益具有相当大的挑战性。如上述的称重例子,其信号增益需要保持100,000个测量计数的精度。这相当于至少需要1,250万的增益,最少也要142dB增益。而噪声使得在高增益电路中要实现这么高的增益更加困难。

简言之,对这些应用来说,一个放大器的噪声水平需要与其它误差达到同样的范围。所有的半导体放大器都会有1/f噪声,也称为闪烁噪声(flicker noise),它是由于材料而产生的一种基本现象。与频率相反,在一个特定的噪声拐点以下,噪声密度将呈指数增加,而且在低频时变得有非常大。在200Hz的典型信号带宽内,一个允许我们在20mV满量程信号时保持18位分辨率的放大器需要有10nV/rt-Hz左右的噪声密度。很少有放大器能低成本地以单芯片实现这种低噪声和高增益的组合特性。

要实现这样的性能水平,设计师通常可以设计混合的多放大器系统。这个系统采用一种具有高输入阻抗、输入纠错电路和第二个(或第三个)补偿放大器的输入放大器组合,以实现所需的增益。这些电路既昂贵又难以实现。集中于一个参数的放大器经常在其他方面带来严重的问题,例如JFET输入放大器就是因高输入偏置误差而著称。分立式斩波放大器电路也已经实现,但具有高复杂性和高成本。Cirrus Logic公司推出的CS3000系列放大器实现了良好的噪声性能。当斩波做得很好时,特别有利于降低低频应用中的1/f噪声,CS3000电路可消除输入偏置误差,运行于相当高的时钟速率。

利用多个内部增益级和细微最优化的补偿,CS3000系列放大器可提供优异的开环增益,以及几乎2MHz的调整增益带宽。不过,这些器件为低于2kHz的信号进行了内部优化,可最大限度地减少功耗,当用于高于50V/V的增益配置时,需要进行外部补偿。值得注意的是,高开环增益可以实现两个目标:1. 传感器增益是要求获得微小的传感器信号,该信号能够被A/D转换器精确地测量到;2. 其余的增益需要保持动态精度。

图2是一个热电堆应用的实例。当暴露在高水平的红外辐射下时,这个器件可输出几个毫伏的满度电压。在这个电路中CS3001所提供的增益是650V/V(56dB),结果可产生大约1.5V的满度信号,有超过140dB(最小)的增益裕量以保证线性误差。这样,A/D转换器的测量精度将可超过17位。

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                             图2:热堆放大器实例
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