凯歌专栏：用于工业和医疗传感应用的高性能仪表放大器（续） 分辨率, 下一步, 数据采集, 信号, 放大器

porereading

高性能工业和医疗传感数据采集系统的前端放大器接收从传感器输出的信号再将其放大以作下一步的模数转换用。各种型号的输入传感器，通常能传输的信号频率极为广泛（从直流到1GHz以上）。当然，测试直流到低于100kHz的音频频率这一频率范围信号的工业和医疗传感系统通常都需要高分辨率的ADC（高于14位，通常在16位到24位之间），因此就需要具更低带宽同时有更高精确度的前端放大器。在音频范围（100kHz以上）到数GHz（高频）的信号一般要求ADC的分辨率小于14Bits（在6Bits到14Bits间），因此前端放大器需要有更高的带宽和较低的精度。高性能工业和医疗数据采集系统中，要处理低频（直流到音频范围）信号，前端则需要一个高增益、高精度、低频的仪表放大器加上sigma delta ADC（∑-Δ ADC）以达到系统的最优化。对比之下，处理高频信号（大于100kHz）则需要低增益、低精度和宽带宽、低交流失真和噪声、DC性能普通的放大器加上一款低分辨率的ADC即可（见图1）。



图1 高性能数据采集系统（低频和高频）

一般的经验法则：高性能数据采集系统一般可分为两个类别：1）低频，高精度；2）高频，低精度。这看起来是很明显的，但是设计者必须要记在心里。每种类型的系统都有各自的误差裕量，前端放大器的规格参数和稳定性能，包括PDC设计环境、布局，对所要达到的性能都非常重要。



图2 仪表放大器在桥式结构中的应用（带屏蔽的）

图2示意了一个典型低频仪表用放大器在采集DC输入信号的桥式结构中的应用（比如测重等）。在任何精度、高阻抗、高噪声的环境下选用仪表放大器是最佳的选择，同时再使用一定的屏蔽和接地技术是可以测量到毫伏级直流电压的。仪表放大器一般是具有高增益和高DC精度的，使用“桥式”结构可以测量微弱的直流信号（见图3：CLC1200典型应用的说明）。



图3 高精度仪表放大器的典型应用规格参数

高精度采集系统中仪表放大器一般需要的增益在1000以上（即输入1µV的差模信号可以放大至1mV的输出）。这就是为什么在那些微弱信号的电路中合适的布局和屏蔽对减小差模输入噪声和误差信号是非常重要的原因。当然，在图3表格中的参数有一项是输入偏置电压小于 /- 125 µV ，这项参数是对系统的分辨率有很大影响（除非它在测量前校准过了），输入温漂也是性能的一个关键参数。设计者必须还要注意输入偏置电流（包括温漂）、供电电源抑制比（PSRR）和共模抑制比（CMRR），这些参数最好是比20log最小输入电压波动和放大器输出范围之比还要小。比如，如果系统中使用的仪表放大器输出范围是2Vpp ，其增益是1000，那么在图2中桥式应用情况下则要求输入的全量程分辨率是2mV。如果在重量测量中需要精度为.1%，那么2mV输入范围的.1%是2 µV的误差信号。当然，一个2 µV的误差输入在2Vpp的输出系统中，要求整个系统中PSRR’s 和 CMRR’s要接近120dB。

一个仪表放大器从本质上来看是一个差模放大器（由三个放大器组成），两个输入都有各自的缓冲（见图4），这样就使输入阻抗能够完全匹配，在低频高精度系统中有着很好的应用。当然，这种放大器结构可以允许电路有很低的DC偏置、低输入偏移、低输入偏移电压、很高的共模抑制比和输入阻抗等等。但是，它也会带来其他的问题。高性能的参数要求系统是一个低频高分辨率的系统，这种系统在这么多和复杂的放大器情况下是很难实现整个系统的稳定性（我们以后会讨论）。虽然仪表放大器经常表示成标准的运放的形式，但是用三个运放表示会更容易理解。三个运放是这样安排的：两个标准运放作为( )(-)输入的缓冲，第三个运放作为输出，其放大比例通过外接电阻来决定。仪表用放大器可以用独立的运放和外部电阻来组成，但是高性能放大器一般都有一个整体的匹配阻抗以达到最大的共模抑制（一个仪表放大器在理想情况下应该能够抑制所有的共模信号）。



图4 仪表放大器（由三个基本放大器组成）

当然，评估高精度仪表放大器性能时，以上的每一个参数都必须要理解和估计其误差裕量。正如我们以上所说，数据手册在选择一款放大器和确定其误差裕量时是很重要的，若想得到最优设计，设计者必须单独的对以上每个参数在实际电路中进行测量。