惠斯通电桥的噪声与温度漂移应对方案

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信号链由放大器、数据转换器、接口、时钟及定时器等多个核心组件构成。其核心目标是通过对实时信息的采集与处理，实现数据获取或系统控制。随着汽车电子、工业和服务器的飞速发展，如何在高噪声、高精度要求的复杂环境下构建稳健的信号链设计，已成为设计工程师面临的核心挑战。

2007年，德州仪器 (TI) 的信号链专家开始在《Electronic Design News (EDN)》杂志上推出了“信号链基础知识”（Signal Chain Basics）系列文章，深入剖析了模拟信号链的工作原理。我们从中选出了10篇文章，穿透复杂的电路图，从基础架构出发，逐步深入，结合当下高性能设计和系统级优化的需求，带您从理论到实战，更全面地掌握信号链设计的要领。

引言

在本系列的第 1 部分中，我们讨论了惠斯通电桥拓扑结构、激励和校准方法，以及使用差分放大器 (DAs) 和仪表放大器 (INAs) 等构建块的基本信号调节技术。

在本期中，我们将详细介绍放大器信号调节方面的内容，讨论精密应用的性能参数，并说明包括集成式应用特定标准产品 (ASSPs) 在内的一些 INA 拓扑如何在性能和尺寸方面带来优势。

如第 1 部分所示，偏移和增益误差相对容易校准。难以解决或解决成本高昂的误差包括噪声（例如器件固有噪声和电源噪声）以及与温度相关的误差（例如偏移和增益漂移）。此外，还存在一些难以处理的误差来源，例如数字和时钟开关，以及来自交流电源的干扰。

因此，优先选用具有高电源抑制比 (PSRR) 和共模抑制比 (CMRR) 的零漂移放大器。对于要求最高精度和稳健性的解决方案，ASSPs 还可以校准传感器的非线性和漂移，并具备传感器故障检测和诊断功能。

固有噪声和偏移漂移

在大多数应用中，需要检测的小信号频率通常低于 10 kHz。传统放大器的噪声特性在频率从 1 kHz 以下向直流降低时会逐渐增大，这种噪声通常称为 1/f 噪声或闪烁噪声，是在惠斯通电桥应用中追求高性能时的主要限制因素。图 1 展示了 INA 的典型噪声性能。

图 1 输入电压噪声频谱密度与频率间的关系

CMOS 零漂移 INAs 通常具有较低的 1/f 噪声，这在与电桥传感器连接时尤为适用。CMOS 零漂移放大器采用一种斩波技术，使噪声在包括 1/f 区域在内的全频段保持平坦响应。这种斩波技术还可显著降低偏置电压及其漂移。图 2 展示了零漂移 INA 的固有噪声性能。

图 2 精密仪表放大器 INA333 的输入电流和电压噪声频谱密度与频率间的关系

电源噪声

噪声可能通过电桥传感器的电源电压引入，并在传感器输出端表现为共模噪声。

解决此噪声的主要方法有两种：使用高 CMRR 的仪表放大器，或者使用低噪声基准为电桥供电。如图 3 所示，设计人员应根据电桥的激励电压和阻抗，谨慎选择具有足够电压和负载电流的基准源。

图 3 设计工程师可以选择低噪声基准作为电桥激励电压

共模噪声

噪声可通过任何介质从相邻干扰源（例如交流电源线和开关稳压器）耦合到输入放大器。为更大限度地减少此误差，应优先使用具有高 CMRR 的输入放大器。在传统的电压反馈型 INAs 中，CMRR 性能与电阻匹配度和差分增益成正比。如图 4 显示，随着增益的降低，CMRR 性能也随之下降。

图 4 显示了传统 INA 的 CMRR 与频率图

一种可替代常见电压反馈型 INAs 的拓扑被称为间接电流反馈（ICFB）。在此拓扑中，CMRR 取决于运算跨导放大器 (OTAs) 的输入跨导和反馈跨导之间的匹配度。相比电阻，OTAs 的跨导更容易实现高匹配性，因此 ICFB 型 INAs 的 CMRR 通常具有优于传统的电压反馈型 INAs 的 CMPR 性能。

此外，如图 5 所示，ICFB 拓扑的 CMRR 不依赖于增益。在更低增益和更低频率的条件下，ICFB 型 INAs 的性能也明显优于传统电压反馈型 INAs。

图 5 ICFB 型 INA 的 CMRR 随频率变化曲线

增益漂移与温度间的关系

在使用传统电压反馈型 INAs 的应用中，系统增益随温度的变化通常主要受外部增益设定电阻的温度系数影响，因为该电阻既难以与内部集成电阻良好匹配，也无法与其实现同步漂移。

一种解决方案是使用可选增益 INA 或可编程增益仪表放大器（PGIA），它们内置了匹配电阻，并能够实现一致漂移。图 6 对比了采用外部增益设定电阻的传统电压反馈 INA（a，红框）与 PGIA（b，绿框）。

图 6 一个采用外部增益电阻器的传统 INA (a) 和一个具有集成增益网络的 PGIA (b)

ICFB 型 INAs 提供了一种替代方案，因为其使用两个外部电阻器来设置增益。采用匹配电阻对，相比传统电压反馈 INA 中仅使用单个外部增益设定电阻，可实现更优的漂移性能。图 7 中的绿框标示了这两个电阻 R1 和 R2。

图 7 ICFB 型 INA 示意，采用匹配的外部增益设置电阻器 R1 和 R2

非线性和诊断

对于需要针对输入信号及温度对传感器非线性进行校准的超精度应用，ASSP 可能是一个不错的选择。ASSPs 通常具有数模转换器（DACs），可用于校准偏移误差和增益误差，并可能集成参考电压源和温度传感器等功能。

ASSPs 通常内置一次性可编程存储器，或外接电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），分别用于一次性出厂校准或按需校准。

此外，部分 ASSPs 具备诊断功能，例如通过监测输入信号共模电压来检测传感器故障。当电压相对于电桥电源超出某一固定范围，或超出输入放大器的边界图限值时，将触发故障模式检测。

另外，当 ASSP 和 ADC 采用不同电源供电时，还可以将最大输出电压限制在 ADC 的最大输入范围内。图 8 展示了一款具有上述功能的 ASSP。

图 8 用于惠斯通电桥测量的 ASSP 示意，包含上述功能

Δ-Σ ADC 架构因其低功耗以及通过平均和噪声整形实现极低的噪声水平，成为惠斯通电桥测量中的常用选择。此外，一些电桥测量 ADCs 还集成了可编程增益放大器（PGA），用于提供额外增益并优化建立时间。图 9 展示了此类 ADC 结构。

图 9 用于电桥测量的 ADC 附带一个内置 PGA

在对惠斯通电桥的信号进行调理时，除了 DAs 和 INAs 之外，还有许多其他选择。除了前文提到的器件固有的噪声、电桥电源噪声、精度、温度特性以及校准等因素外，但还需综合考虑其他因素，包括功耗、设计便捷性、灵活性、成本、尺寸以及多信号源需求。

在设计考量如此多的情况下，在选择并实现惠斯通电桥传感器的信号调理方案时，应谨慎评估与取舍。