零漂移儀表放大器的傳感器電路優化方案

2021-01-08 電子產品世界

智能傳感器已廣泛應用於航天、航空、國防、科技和工農業生產等各個領域中。例如,它在機器人領域中有著廣闊應用前景,智能傳感器使機器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現象,完成各種動作。在工業生產中,利用傳統的傳感器無法對某些產品質量指標(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進行快速直接測量並在線控制。而利用智能傳感器可直接測量與產品質量指標有函數關係的生產過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等)。Cygnus公司生產了一種葡萄糖手錶,其外觀像普通手錶一樣,戴上它就能實現無疼、無血、連續的血糖測試。葡萄糖手錶上有一塊塗著試劑的墊子,當墊子與皮膚接觸時,葡萄糖分子就被吸附到墊子上,並與試劑發生電化學反應,產生電流。傳感器測量該電流,經處理器計算出與該電流對應的血糖濃度,並以數字量顯示。

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  因此,模擬傳感器接口變得非常重要,必須在抵?這些環境效應的同時遵守嚴格的規範要求。為實現成功商用,傳感器必須具有低成本、小體積以及低電流(針對電池供電的測量設備)特性。

  系統設計師喜歡將模擬鏈路設計得儘可能短,希望以此來提高信號抗外部噪聲的能力(數字電路通常對噪聲不敏感)。過長的模擬鏈要求在後續電路中使用特定的信號處理電路。

  例如一級電路提供差分增益,但沒有共模抑制;另一級電路提供共模抑制,但沒有差分增益。雙路電源和高電壓軌還有助於減輕對模擬電路的信噪比要求。對更短模擬鏈以及單電源、低電壓、模擬電壓軌的要求迫使人們開發創新的架構來滿足這些挑戰。

  因此,在系統設計之初就要作出的一個決策是模數轉換器(ADC)和傳感器之間是否直接連接。這種直接連接在某些應用場合具有很大的優勢。

  例如,高阻比例橋可以採用許多ADC中包含的基本內部參考,而且一些現代ADC包含有高阻緩衝器或PGA,它們可以用來隔離傳感器信號與加載信號及ADC採樣電路引起的電流脈衝信號。

  但另一方面也存在使用儀表放大器(IA)連接傳感器和ADC的實際例子,其原因是:

  1. 在靠近信號源的地方將小信號放大可以改善一些應用的總信噪比,特別是當傳感器不靠近ADC時。

  2. 許多高性能ADC沒有高阻抗輸入端,因此需要低源阻抗放大器的驅動才能充分發揮它們的性能。在這種情況下如果沒有中間放大器,輸入電流尖峰和源阻抗失配等異常情況將帶來增益誤差。

  3. 外部放大器能幫助用戶針對應用優化信號調節(濾波)。

  4. 用於製造ADC的最佳半導體工藝並不一定是用於製造放大器的最佳工藝。

  5. IA提供的增益使傳感器和ADC之間的接口更加容易,因為它不僅可以減輕系統設計壓力,還能降低總體系統成本。例如,讀取一個無增益的傳感器信號比讀取放大的傳感器信號需要更高的解析度和昂貴的ADC。LED軟燈條九大優點

  一、純正的色彩:

  LED軟燈條採用高亮度貼片LED為發光元件,因此具備了LED發光元件的優點,光色純正、柔和、無眩光。既可以作為裝飾用途,又可以兼做照明用途。

  二、柔軟性:

  LED軟燈條採用非常柔軟的FPC為基板,可以任意彎折而不會折斷,易於成型,適合各種廣告造型需要。

  三、發熱量小:

  LED軟燈條的發光元件是LED,由於單顆LED的功率很低,一般為0.04~0.08W,因此發熱量不高。可以作為魚缸裡的裝飾照明,而不會產生大量熱量造成水溫升高,影響觀賞魚的生長。

  四、超節能:

  LED軟燈條1210的功率每米只有4.8W,5050的LED軟燈條每米功率為7.2W,相對於傳統照明及裝飾燈具而言,功率低了好幾倍,而效果卻好很多。

  五、環保:

  LED軟燈條組成材料無論是LED還是FPC,其材質都是採用的環保材質,屬於可回收利用型,不會因為大量使用而造成對環境的汙染和破壞。

  六、安全:

  LED軟燈條採用的是低壓直流12V供電電壓,因此使用上非常安全。無論老人、小孩都可以安全使用而不會引起安全隱患。

  七、簡易安裝:

  LED軟燈條安裝非常簡便,配用固定夾、線槽、鐵線、鐵網等即可安裝在多種支承面上。另外,由於LED軟燈條輕、薄,因此,採用雙面膠也可以實現固定的功能。無需專業人員即可安裝,可以真正享受DIY的裝飾樂趣。

  八、壽命長:

  LED軟燈條的正常使用壽命是8~10萬小時,每天24小時不停的工作,其壽命都差不多近10年。因此,LED軟燈條的壽命是傳統燈具的好幾倍。

  九、應用範圍廣:

  LED軟燈條因為柔軟、輕薄、色彩純正等特點,被廣泛應用於樓體輪廓,臺階,展臺,橋梁,酒店,KTV裝飾照明,以及廣告招牌的製作、各種大型動畫、字畫的廣告設計等場所。隨著LED軟燈條技術的逐漸成熟,其應用範圍將更加廣泛。

  低偏移儀表放大器的好處

  當使用IA讀取傳感器信號時經常會遇到各種直流誤差問題,主要根源是輸入電壓偏移效應。事實上,引起直流誤差的其它每個根源都是根據輸入偏移電壓進行建模的,其中直流CMRR代表直流輸入偏移電壓隨輸入共模電壓的變化,直流PSRR代表直流輸入偏移電壓隨電源電壓變化而發生的改變。

  也許引起直流誤差的最重要根源是噪聲,而噪聲是半導體晶片設計和工藝中所固有的。因為大多數傳感器信號被高增益模塊所放大,以輸入信號為參考的噪聲也被放大同樣的增益。噪聲有兩種形式:粉色噪聲(也稱為1/f或閃爍噪聲)和白色噪聲。粉色噪聲在低頻段(小於100Hz左右)更重要,白色噪聲一般決定了信號帶寬更高的晶片性能。

  高頻功率放大器是通信系統中發送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種,窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出迴路,故又稱為調諧功率放大器或諧振功率放大器;寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路,因此又稱為非調諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉換器件,它將電源供給的直流能量轉換成為高頻交流輸出在 「低頻電子線路」課程中已知,放大器可以按照電流導通角的不同,將其分為甲、乙、丙三類工作狀態。

  粉色噪聲是由於半導體表面上的缺陷點處發生的重組效應引起的。因此與雙極器件產生的噪聲相比,CMOS器件的噪聲具有更大的幅度和更高的角頻率。(噪聲角頻率是指粉色噪聲密度與白色噪聲密度相等時的頻率)

  大多數傳感器選用高阻抗輸入,這迫使IA採用CMOS前端,從而使設計師必須面對隨之而來的更高低頻噪聲電平。幸運的是,能夠連續補償輸入偏移電壓的零漂移電路設計技術可以用來消除低頻輸入粉色噪聲。

流行的新架構

  傳統IA使用三個運放搭建成一個輸入緩衝級和一個輸出級電路(圖1)。輸入緩衝級電路提供全部差分增益、單位共模增益和高阻抗輸入,差分放大器輸出級提供共模增益為零的單位差分增益。這種IA可以用於許多場合,但它的簡單性掩蓋了兩個重要的缺點:可用的輸入共模電壓範圍有限,交流CMRR也有限。

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