儀表放大器可以調理傳感器生成的電信號，從而實現這些信號的數字化、存儲或將其用于控制信號一般較小，因此，放大器可能需要配置為高增益。另外，信號可能會疊加大共模電壓，也可能疊加較大直流失調電壓。精密儀表放大器可以提供高增益，選擇性地放大兩個輸入電壓之間的差異，同時抑制兩個輸入中共有的信號。

　　惠斯登電橋是這種情況的經典例子，但像生物傳感器一類的原電池具有類似的特性。電橋輸出信號為差分信號，因此，儀表放大器是高精度測量的首選。理想情況下，無負載電橋輸出為零，但僅當所有四個電阻均完全相同時，這種情況方為真。假如有一個以分立式電阻構建的電橋，如圖 1 所示。最差情況差分失調 VOS為

　　（1）

　　其中，VEX 為電橋激勵電壓， TOL 為電阻容差（單位為百分比）。

　　圖 1 惠斯登電橋失調

　　例如，在各元件的容差均為 0.1%且激勵電壓為 5 V 時，差分失調可以高達±5 mV。如果需要 400 的增益來實現所需電橋靈敏度，則放大器輸出端的失調變成±2 V。假設放大器由同一電源驅動，并且其輸出可以軌到軌擺動，則僅電橋失調就可能消耗掉 80%以上的輸出擺幅。在行業要求電源電壓越來越小的趨勢下，這個問題只會變得更加糟糕。

　　傳統的三運放儀表放大器架構（如圖 2 所示）有一個差分增益級，其后為一個減法器，用于移除共模電壓。增益施加于第一級，因此，失調放大的倍數與目標信號相同。因此，將其移除的唯一方法是在參考（REF）端施加反電壓。這種方法的主要不足在于，如果放大器的第一級已經飽和，則調節 REF 上的電壓并不能更正失調。克服這點不足的幾種方法包括：

　　根據具體情況，以外部電阻對電橋分流，但對于自動化生產來說，這是不現實的，而且在出廠后是無法調整的

　　減少第一級增益，通過微調 REF 上的電壓來移除失調，并再添一個放大器電路以實現所需增益

　　減少第一級增益，以高分辨率 ADC 完成數字化輸出，并在軟件中移除失調

　　后兩種選項還需要考慮最差情況下與原始失調值的偏差，從而進一步減少第一級的最大增益。這些解決方案并不理想，因為它們需要額外的電源、電路板空間或成本，來達到高 CMRR 和低噪聲的目標。另外，交流耦合并不是測量直流或超慢移動信號的一種選擇。

　　圖 2 三運放儀表放大器拓撲結構

　　間接電流反饋（ICF）儀表放大器（如AD8237 和 AD8420可在放大之前移除失調。圖 3 顯示ICF拓撲結構原理圖。

　　圖 3 間接電流反饋儀表放大器拓撲結構

　　該儀表放大器的傳遞函數在形式上與經典三運放拓撲結構的傳遞函數相同，其計算公式為

　　（2）

　　由于輸入之間的電壓等于反饋（FB）與參考（REF）端子之間的電壓時，放大器的反饋要求可得到滿足，因此，我們可將該公式重寫為

　　（3）

　　這意味著，引入一個等于反饋和參考端子之間失調的電壓，即使在存在大輸入失調的情況下，也可將輸出調整為零伏特。如圖 4 所示，該調整可以通過以下方法實現：從一個簡單的電壓源（如低成本 DAC）或者來自嵌入式微控制器的濾波 PWM 信號，通過電阻 RA 將一個小電流注入反饋節點。

　　圖 4 帶失調移除功能的高增益電橋電路

　　設計步驟

　　等式（3），1 與 R2 之比將增益設為：

　　（4）

　　設計師必須確定電阻值。較大電阻值可降低功耗和輸出負載； 較小值可限制FB輸入偏置電流和輸入阻抗誤差。如果 R1 和 R2 的并聯組合大于約30 k?， 則電阻開始引起噪聲。 表1顯示了一些建議值。

　　表 1 各種增益的推薦電阻（1%電阻）

　　
?

　　為了簡化 RA值的查找過程，假設采用雙電源運行模式，有一個接地 REF 端子和一個已知的雙極性調整電壓 VA。這種情況下的輸出電壓可通過以下公式計算：

　　（5）

　　注意， 從VA至輸出的增益為反相。 VA 的增加會使輸出電壓降低，比值為R2和 VA reduces the output voltage by a fraction given by the ratio of resistors R2 and RA之比。此比值下，可以針對給定的輸入失調，使調整范圍達到最大。由于調整范圍指向增益之前的放大器輸入，因此，即使在低分辨率源的情況下，也可實施微調。由于 RA 一般都比 R1大得多，因此，我們可以得到等式（5）的近似值：

　　（6）

　　為了找到一個 RA值以允許最大失調調整范圍 VIN（MAX）， 在給定調整電壓范圍 VA（MAX）的情況下，使VOUT = 0 ，求 RA，結果得到

　　（7）

　　其中， VIN（MAX） 為傳感器預期的最大失調。等式（5）同時顯示，調整電路的插入會修改從輸入到輸出的增益。即使如此，其影響一般也很小，增益可以重新計算為：

　　（8）

　　一般地，對于單電源電橋調理應用，參考端的電壓應大于信號地。如果電橋輸出可以在正負間擺動，情況尤其如此。如果基準電壓源由一個低阻抗源（如分阻器和緩沖器）驅動至電壓 VREF，如圖 5 所示，則等式（5）變為：

　　（9）

　　如果相對于原始等式中的VREF取 VOUT 和VA ，則可得到相同的結果。 VA（MAX） – VREF 也應替換等式（7）中的 VA（MAX）。

　　設計示例

　　假設有一個單電源電橋放大器，如圖 4 所示，其中，用 3.3 V 電壓來激勵電橋并驅動放大器。滿量程電橋輸出為±15 mV，失調可能處于±25-mV 的范圍。為了取得所需靈敏度，放大器增益需為 100，ADC 的輸入范圍為 0 V 至 3.3 V。由于電橋的輸出可以為正，也可以為負，因此，其輸出指向中間電源或 1.65 V。只需通過施加 100 的增益，失調本身即會強制使放大器輸出處于–0.85 V 至+4.15 V 的范圍內，這超過了電源軌。

　　這個問題可通過圖 5 所示的電路來解決。電橋放大器A1 是一個像AD8237 一樣的ICF儀表放大器。放大器A2，帶R4 和R5，將 A1 的零電平輸出設為中間電源。 AD5601 8 位DAC對輸出進行調整，通過RA使電橋失調為 0。然后，放大器的輸出由 AD7091 微功耗 12 位ADC數字化。

　　圖 5 針對單電源工作模式而修改的失調移除電路

　　從表1可以發現， 增益為101時， R1和R2 需為1 k?和100 k?。電路包括一個可以在 0 V 至 3.3 V 范圍內擺動，或者在 1.65V 基準電壓左右擺動±1.65 V。為了計算 RA 的值，我們使用等式 （6）。其中，VA（MAX） = 1.65 V 且 VIN（MAX） = 0.025 V， RA = 65.347 kΩ。當電阻容差為 1%時，最接近的值為 64.9 k?。然而，這沒有為源精度和溫度變化導致的誤差留下任何裕量，因此，我們選擇一個常見的 49.9-k? 低成本電阻。這樣做的代價是調整分辨率降低了，結果導致略大的調整后失調。

　　從等式（7），我們可以算出額定增益值為 103。如果設計師希望得到接近目標值 100 的增益值，最簡單的辦法是使 R2 的值降低 3%左右，至 97.6 k?，結果對 RA 的值的影響非常小。在新的條件下，額定增益為 100.6。

　　由于DAC可以擺動±1.65 V，因此，總失調調整范圍可通過由RA 以及R1和R2的并聯組合形成的分壓器給定，其計算方法如下：

　　（10）

　　在±25-mV 最大電橋失調范圍內，±32.1-mV 的調整范圍可提供 28%的額外調整裕量。對于 8 位 DAC，調整步長為

　　（11）

　　對于 250-μV 調整分辨率，輸出端的最大殘余失調為 12.5 mV。

　　R3 和 C1 c的值可以通過ADC數據手冊中的建議值或參考文獻2 來確定。對于采樣率為 1 MSPS 的 AD7091，這些值為 51 ? 和 4.7 nF。在以較低速率采樣時，可以使用較大的電阻或電容組合，以進一步減少噪聲和混疊效應。

　　該電路的另一個優勢在于，可以在生產或安裝時完成電橋失調調整。如果環境條件、傳感器遲滯或長期漂移對失調值有影響，則可重新調整電路。

　　受其真軌到軌輸入影響，AD8237 最適合采用超低電源電壓的電橋應用。對于要求較高電源電壓的傳統工業應用，AD8420 不失為一款良好的替代器件。該 ICF 儀表放大器采用 2.7 V 至 36 V 電源供電，功耗低 60%。

　　表 2 是對兩款儀表放大器進行了比較。都使用了最小和最大規格。有關更多詳情和最新信息，請參見產品數據手冊。

　　表 2 AD8237和 AD8420比較

　　參考文獻

　　1AN212 Application Note. Handling Sensor Bridge Offset. Honeywell International Inc.， Rev 05-05.

　　2HMC1001/HMC1002/HMC1021/HMC1022 1- and 2-Axis Magnetic Sensors Data Sheet. Honeywell International Inc.， 2008.

　　3Kitchin， Charles and Lew Counts. A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers. 3rd Edition. Analog Devices， Inc.， 2006.

　　4NPC-410 Series Data Sheet. GE Sensing， 2006.

　　5Product Training Module. Indirect Current Feedback Instrumentation Amplifier Applications Guide. Digi-Key Corporation.

　　6Walsh， Alan. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue， Volume 46， 2012.

　　作者簡介

Gustavo Castro ［gustavo.castro@analog.com］ 是馬薩諸塞州威明頓市精密信號調理部門的應用工程師。 2011 年 1 月加入ADI公司之前， 他曾經從事數字萬用表及直流源等高精度儀器儀表設計工作達 10 年。 2000 年，他從墨西哥蒙特利技術學院獲得電子工程學士學位。他擁有兩項專利。

Scott Hunt ［scott.hunt@analog.com］ 是線性產品部 （馬薩諸塞州威明頓市）的一名產品應用工程師。他獲得倫斯勒理工學院電氣工程學士學位后，于 2011 年加入ADI。Scott專門從事集成精密放大器技術工作，包括儀表放大器、差分放大器和熱電偶放大器。