物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和智能家居的實(shí)現(xiàn)首先離不開感應(yīng)，而它也是發(fā)燒友、制造商，甚至是專業(yè)設(shè)計(jì)師面臨的首個(gè)難題。很多價(jià)格相對低廉的傳感器，比如加速計(jì)、力傳感器、應(yīng)變計(jì)和壓力變送器，都圍繞電阻式惠斯通電橋而設(shè)計(jì)，因此，它們以毫伏 (mV) 級輸出差分電壓。
在進(jìn)一步繼續(xù)之前，需要準(zhǔn)確捕獲并放大這些低電平信號，使它們達(dá)到與微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 兼容的電平而不造成直流偏移和噪聲。同樣地，使用高壓側(cè)分流器進(jìn)行電流檢測，需要沒有接地參考輸入且能夠承受較大共模電壓的放大器。
為確保捕獲的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，制造商和發(fā)燒友需要熟悉儀表放大器 (INA)。INA 是平衡差分放大器，具有可輕松控制的增益、較小的失調(diào)漂移和消噪屬性。它在家居控制應(yīng)用中與低成本變送器相輔相成。同時(shí)，由于 INA 具有兩個(gè)不以地為基準(zhǔn)的高阻抗輸入，因此也適用于各種類型的浮動差分測量。
本文將介紹傳感器-處理器信號鏈，以及放大器階段對共模抑制、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的需求。另外還將介紹特定傳感器和 INA 及其使用方法。
壓阻式變送器
使用壓阻式元件的變送器是最熱門的傳感器系列之一。它們可用于測量應(yīng)力、作用力、加速度和壓力等等。
尺寸較小的壓阻式元件與變送器的機(jī)械元件相連。這些元件可以是條形、板形、彈簧狀，或者是膜片狀。感應(yīng)到的預(yù)期參數(shù)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)變形。壓阻式元件會經(jīng)受應(yīng)力，該應(yīng)力與改變元件電阻的感應(yīng)參數(shù)成正比。
壓敏電阻器元件的電阻通常是惠斯通電橋電路配置的一部分（圖 1）。如果電橋的輸入電壓固定且四個(gè)電阻的值全部相同，則該電橋達(dá)到所謂的平衡，輸出電壓 VOUT 為零。
圖 1：在惠斯通電橋中，變送器通常屬于四個(gè)電阻元件之一。隨著電阻因壓力或其他作用力發(fā)生變化，輸出電壓也會成比例變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
圖 1 中的 R4 代表變送器。壓力或其他被測參數(shù)的變化導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)和電阻經(jīng)受應(yīng)變，從而改變壓敏電阻器的電阻。這將導(dǎo)致變送器的電阻偏離其標(biāo)稱值，根據(jù)所施加的壓力成比例發(fā)生變化。而電橋的輸出電壓 VOUT 與電阻的變化成正比，因而也與傳感器元件的壓力成正比。
需要注意的是，VOUT 標(biāo)稱值為 VIN 的一半。此電壓為共模信號電壓。對于滿量程電壓范圍為 50 mV 的變送器而言，1% 的電壓增量等于 0.5 mV。如果它處于 2 V 的共模電平，共模抑制比 (CMRR) 需要為 72 dB 才能解決電壓變化問題。
NXP Semiconductors 型號為 MPX2050DP 的 50 kPascal (7.5 psi) 雙端口壓力變送器，可提供 40 mV 滿量程輸出信號電平（圖 2）。雙端口配置可用于測量壓差或表壓（參考大氣壓）。
圖 2：NXP Semiconductors 型號為 MPX2050DP 的 7.5 psi 壓阻式雙端口壓力變送器，滿量程輸出信號電平為 40 mV。（圖片來源：NXP Semiconductors）
商用變送器結(jié)合使用溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以確保變送器僅響應(yīng)預(yù)期參數(shù)，而不響應(yīng)變送器環(huán)境的變化。
TE Connectivity 型號為 FX1901-0001-0050-L 的產(chǎn)品是一款壓阻式壓縮力傳感器，具有 22.68 kgf (50 lbf) 的量程。該傳感器測量壓縮力而非壓力，但它使用類似的惠斯通電橋測量拓?fù)渥鳛閴毫ψ兯推鳌Ｋ哂?20 mV/V 的靈敏度，因此，當(dāng)電源電壓為 5 V 時(shí)，滿量程負(fù)載靈敏度為 100 mV。
這些變送器之間的共同特點(diǎn)是差分輸出電平在毫伏范圍內(nèi)，需要放大后才能用于 ADC。此時(shí)，儀表放大器 (INA) 派上用場。
儀表放大器 (INA)
INA 是基于運(yùn)算放大器技術(shù)的一種差分放大器，具有差分輸入和單端輸出。該放大器是差分放大器，因此能夠衰減共模信號，而衰減的程度即為前文提及的 CMRR 規(guī)格。因此，INA 很適合在存在較大共模信號或偏移時(shí)，將小信號放大。此外，INA 的特征還包括，穩(wěn)定、準(zhǔn)確并可輕松調(diào)整的增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗。
INA 有兩種常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用。最常見的是圖 3 中所示的三重運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。在此電路配置中，放大器 U1 和 U2 是非逆變輸入緩沖器。它們的輸出將饋送給差分放大器 U3。INA 的增益主要通過電阻 RG 設(shè)置。參考輸入通常在不用時(shí)接地，控制著輸出失調(diào)電壓電平。檢測輸入可用于改變輸出差分放大器的增益。不用時(shí)，它會與差分級的輸出關(guān)聯(lián)。
圖 3：INA 三重運(yùn)算放大器配置的交流 CMRR 通常高于雙重運(yùn)算放大器配置。增益由 RG 確定。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
使用雙重運(yùn)算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可減少所需的運(yùn)算放大器數(shù)量（圖 4）。
圖 4：INA 雙重運(yùn)算放大器配置可節(jié)省成本和功耗。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
此電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅使用兩個(gè)運(yùn)算放大器，可節(jié)省成本和功耗。雙重運(yùn)算放大器電路的非對稱配置可能會造成多個(gè)問題，從而限制電路的有效性。最主要的是，與三重運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)相比，它可能會降低交流 CMRR。
集成式 INA
Texas Instruments 型號為 INA333AIDRGT 的產(chǎn)品是基于三重運(yùn)算放大器配置的 INA 示例。它提供零漂移電路，可實(shí)現(xiàn)出色的直流規(guī)格。可以通過單一外部電阻器將增益設(shè)置為 1 到 10,000。當(dāng)增益大于 100 時(shí)，其 CMRR 為 100 dB。該產(chǎn)品專為 3.3 V 到 5 V 的工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其帶寬取決于增益，單位增益下，最大帶寬為 150 kHz。
相比之下，Texas Instruments 的 INA332AIDGKR 是一款寬帶 INA，基于改良的雙重運(yùn)算放大器模型，具有一個(gè)額外的增益級。通過改變單一外部電阻器的值，其增益在 5 到 1,000 的范圍內(nèi)可調(diào)。CMRR 通常為 73 dB。它的帶寬明顯更寬，達(dá)到 2 MHz。
將 INA 集成到單片集成電路中，可以精確匹配有源和無源元器件，從而保證更好的增益和 CMRR 控制（圖 5）。
圖 5：Texas Instruments INA333 和 INA332 儀表放大器的簡化示意圖對比，展示 INA 三重和雙重運(yùn)算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的商業(yè)實(shí)施模式。（圖片來源：Texas Instruments）
圖 6 中 Texas Instruments INA333 的參考設(shè)計(jì)顯示，使用儀表放大器支持惠斯通電橋變送器非常簡單。該設(shè)計(jì)將 120 Ω 的應(yīng)變計(jì)用作有源變送器元件。此電路可應(yīng)用于任何類型的惠斯通電橋變送器，并能通過 TINA TI SPICE 仿真器進(jìn)行模擬。
圖 6：通過 Texas Instruments INA333 進(jìn)行應(yīng)變計(jì)放大器 TINA TI 仿真，結(jié)果顯示，應(yīng)變計(jì) (Rsg) 的標(biāo)稱電阻為 120 Ω，Rsg 擺幅為 10 Ω 時(shí)，讀數(shù)范圍為 4.47 V。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
圖中的應(yīng)變計(jì) Rsg 具有 120 Ω 的標(biāo)稱電阻，可能會在 115 Ω 與 125 Ω 之間變動。目標(biāo)在于將此變動應(yīng)用至具有 0 到 5 V 輸入范圍的 ADC。
為此，放大器增益設(shè)置為 1,001，參考電壓為 2.5 V。直流轉(zhuǎn)換特性將 INA 的輸出電壓繪制為應(yīng)變計(jì)電阻變化的函數(shù)。仿真中的光標(biāo)讀數(shù)顯示，應(yīng)變計(jì)電阻擺幅為 10 Ω 時(shí)輸出范圍為 4.47 V。
高壓側(cè)電流檢測
使用低值電阻分流是測量電流的最常用方法之一。對于通過幾個(gè)放大器進(jìn)行的電源測量，一個(gè)約為 10 毫歐 (mΩ) 的電阻器產(chǎn)生的壓降為每個(gè)放大器 10 mV（圖 7）。
圖 7：將 INA 應(yīng)用于高壓側(cè)電流檢測，其中分流電阻器 (RSENSE) 位于 INA 電壓源和負(fù)載之間。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
如果分流電阻器置于負(fù)載與接地之間，則稱為低壓側(cè)電流檢測。將檢測電阻置于電源和負(fù)載之間則稱為高壓側(cè)電流檢測。高壓側(cè)檢測具有消除接地干擾的優(yōu)點(diǎn)。它還可用于檢測負(fù)載接地故障。
進(jìn)行高壓側(cè)電流檢測時(shí)，需要認(rèn)真研究應(yīng)用于儀表放大器的共模電壓，這一點(diǎn)稍后將討論。
如果 RSENSE 為 10 mΩ，則 5 A 的電流擺動將在電阻器中產(chǎn)生 50 mV 的電壓。將 INA 的增益調(diào)整到 100 將造成 5 V 的輸出擺動。
避免常見 INA 問題
如前所述，仔細(xì)考慮 INA 的共模電壓范圍很重要。以圖 6 中的應(yīng)變計(jì)測量為例。INA 由單一 5 V 電源供電以簡化配電。如果按雙電源供電的常見情況將參考輸入接地，則輸出擺動集中在 0 V 左右。由于兩個(gè) INA 輸入都接近 2.3 V，其輸出將接近 0 V，且無法在 0 V 基準(zhǔn)以下擺動。將檢測輸入提高到 2.5 V 可將輸出電壓集中到 2.5 V 左右，允許其上下擺動。
另外，還要務(wù)必確保內(nèi)部緩沖放大器在高增益工作時(shí)不會飽和。考慮一下 INA 輸入為 5 mV 且增益為 1,000 時(shí)，會發(fā)生什么。在此情況下，輸入緩沖的輸出間存在 5 V 的差異。如果 INA 在 5 V 電源下操作，則其中一個(gè)緩沖將處于飽和狀態(tài)。幸運(yùn)的是，Texas Instruments 等 INA 供應(yīng)商提供特定應(yīng)用程序（“儀表放大器的 VCM 與 VOUT”）來檢查其儀表放大器的共模范圍。
最后還要注意 INA 輸入的接地回路。如果輸入為 AC 耦合或者連接到熱電偶等浮動裝置，則應(yīng)將高值電阻器從輸入連接到地面，以釋放放大器的輸入偏置電流。
總結(jié)
在實(shí)施設(shè)計(jì)的過程中，發(fā)燒友和專業(yè)工程師很快發(fā)現(xiàn)，將傳感器連接到 IoT 首先需要非常了解如何獲取并放大惠斯通電橋發(fā)出的低電平信號，然后再用 ADC 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。
INA 非常適用于放大差分信號。它們提供高增益、高共模抑制和高輸入阻抗。由于它們有各種各樣的配置，務(wù)必了解其工作原理、關(guān)鍵規(guī)格及使用注意事項(xiàng)。
