如何在对电桥传感器进行电路设计时避免陷入困境

　　仪表放大器可以调理传感器生成的电信号，从而实现这些信号的数字化、存储或将其用于控制信号一般较小，因此，放大器可能需要配置为高增益。另外，信号可能会叠加大共模电压，也可能叠加较大直流失调电压。精密仪表放大器可以提供高增益，选择性地放大两个输入电压之间的差异，同时抑制两个输入中共有的信号。

　　惠斯登电桥是这种情况的经典例子，但像生物传感器一类的原电池具有类似的特性。电桥输出信号为差分信号，因此，仪表放大器是高精度测量的首选。理想情况下，无负载电桥输出为零，但仅当所有四个电阻均完全相同时，这种情况方为真。假如有一个以分立式电阻构建的电桥，如图 1 所示。最差情况差分失调 VOS为

　　（1）

　　其中，VEX 为电桥激励电压， TOL 为电阻容差（单位为百分比）。

　　

　　图 1 惠斯登电桥失调

　　例如，在各元件的容差均为 0.1%且激励电压为 5 V 时，差分失调可以高达±5 mV。如果需要 400 的增益来实现所需电桥灵敏度，则放大器输出端的失调变成±2 V。假设放大器由同一电源驱动，并且其输出可以轨到轨摆动，则仅电桥失调就可能消耗掉 80%以上的输出摆幅。在行业要求电源电压越来越小的趋势下，这个问题只会变得更加糟糕。

　　传统的三运放仪表放大器架构（如图 2 所示）有一个差分增益级，其后为一个减法器，用于移除共模电压。增益施加于第一级，因此，失调放大的倍数与目标信号相同。因此，将其移除的唯一方法是在参考（REF）端施加反电压。这种方法的主要不足在于，如果放大器的第一级已经饱和，则调节 REF 上的电压并不能更正失调。克服这点不足的几种方法包括：

　　根据具体情况，以外部电阻对电桥分流，但对于自动化生产来说，这是不现实的，而且在出厂后是无法调整的

　　减少第一级增益，通过微调 REF 上的电压来移除失调，并再添一个放大器电路以实现所需增益

　　减少第一级增益，以高分辨率 ADC 完成数字化输出，并在软件中移除失调

　　后两种选项还需要考虑最差情况下与原始失调值的偏差，从而进一步减少第一级的最大增益。这些解决方案并不理想，因为它们需要额外的电源、电路板空间或成本，来达到高 CMRR 和低噪声的目标。另外，交流耦合并不是测量直流或超慢移动信号的一种选择。

　　

　　图 2 三运放仪表放大器拓扑结构

　　间接电流反馈（ICF）仪表放大器（如AD8237 和 AD8420可在放大之前移除失调。图 3 显示ICF拓扑结构原理图。

　　

　　图 3 间接电流反馈仪表放大器拓扑结构

　　该仪表放大器的传递函数在形式上与经典三运放拓扑结构的传递函数相同，其计算公式为

　　（2）

　　由于输入之间的电压等于反馈（FB）与参考（REF）端子之间的电压时，放大器的反馈要求可得到满足，因此，我们可将该公式重写为

　　（3）

　　这意味着，引入一个等于反馈和参考端子之间失调的电压，即使在存在大输入失调的情况下，也可将输出调整为零伏特。如图 4 所示，该调整可以通过以下方法实现：从一个简单的电压源（如低成本 DAC）或者来自嵌入式微控制器的滤波 PWM 信号，通过电阻 RA 将一个小电流注入反馈节点。

　　

　　图 4 带失调移除功能的高增益电桥电路