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传感器的信号调节技术(二)

IA设计考虑


Touchstone半导体公司营销与应用副总裁Adolfo A Garcia指出,当电源电压低(<3V),并且可选自完备IA(仪表放大器)有限时,设计自己的IA最为简单直接,只需要了解运放的输入输出dc特性与电路结构。构建仪表运放有两种很常见的结构,分别采用两只和三只运放。

图4给出了两种运放结构。当采用单电源轨至轨的小功率运放时,主要的选择考虑(根据应用情况)包括:dc特性,如VOS、TCVOS、AVOL(MIN)、IOS、VOH(MIN)和VOL(MAX),以及ac特性,如放大器输入相关噪声与带宽。输出动态范围与应用无关,是实现电路性能的关键。据Garcia称,输出级能提供蕞宽动态范围的单电源运放是好的选择,因为避免了放大器输出级饱和问题。


注意图4电路传输方程中的基准电压项(VREF)。为避免AMP1的输出饱和,仪表放大器的输出信号的测量必须针对VREF。在一个3 V (或更低电压)的系统中,如要电路的动态范围,并避免输出级的饱和问题,只要简单地将VREF设为电源的一半就足够了。不过Garcia发现,只有所选运放的VOH(MIN)和VOL(MAX)规格相对其电源数据对称时,这个方法才是有效的。

在式2中,是IA电路上所加的差分输入电压。如果所需增益是一个已知的电路参数,则可以重新排列式中的相应项,以确定为防止输出级饱和而能给电路施加的输入差分电压。


为了以蕞小功率运行,电路中使用的电阻应为100kΩ或更大,具体要看噪声和带宽设计方面的考虑。另外要指出的是,运放的VOH(MIN)和VOL(MAX)电压规格很大程度上由放大器输出级负载所决定,因此要注意负载电阻的情况。


有一个实际例子,选择的是一只TS1002 双0.6μA运放,构造了一个增益为10的双运放IA,它的工作电源为2.5V。TS1002在100kΩ负载下的VOH(MIN)和VOL(MAX)规格分别为2.498V和0.001V 。使用式1, VREF等于(2.498V+ 0.001V)/2=1.249V,输出级被偏置在输出动态范围内,避免了输出级饱和。在上述增益10情况下,为避免输出级饱和而施加的差分输入电压为:(2.498V+0.001V)/(2×10),约125mV。

对三运放I A 结构可以做一个类似的分析( 图5) 。同样, 省略对三运放IA以及前述项的严谨全电路分析,双运放IA的结果也很好地适用在这里,即,为获得动态范围,输出基准电压要设定在AMP1和AMP2的输出电压摆幅的中间(式1)。


电路增益的表达式与双运放IA形式相同(式2)。测得的电路输出电压是针对VREF,VREF设计在AMP1 和AMP2的输出电压摆幅中间;而可以加给三运放IA的差分输入电压则由式2决定。


另一个实际例子中,设计者采用了一只Touchstone半导体公司的TS10040.6μA四运放,搭建一个2.5V电源、增益为50的三运放IA。从TS1004的数据表中可查到其在100kΩ负载时的VOH(MIN)和VOL(MAX)规格分别为2.498V和0.001V。用式1,输出级由一个为(2.498V+0.001V)/2=1.249V的VREF偏置, 以获得输出动态范围, 避免输出级的饱和。在所述50 增益时, 为避免输出级饱和而能够施加的差分输入电压为( 2.498V + 0.001V )/( 2×50 ),约25mV。