运算放大器在传感器领域中的应用是怎样的

随着春节的临近，疫情再次反复，石家庄和沈阳的聚集性病例让我们再一次将目光聚焦于新冠肺炎，如何防控成为了各个小网格单元的关注点，如何自我保护不影响团聚过年成为普通人的小目标。夏天的时候，我们写过一篇文章讲到“红外热像仪原理及电子器件分析”，就是在疫情中除了额温枪以外广泛使用的测温产品“红外热像仪”（如图1）。

红外热像仪通过探测目标物体的红外辐射，然后经过光电转换、电信号处理及数字图像处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像，传统应用领域为工业及汽车产业。

图 2 红外热像仪基本硬件结构

基本工作步骤为（如图2）：FPA探测器——信号放大——信号优化——信号ADC采样——SOC/FPGA整形与预处理——信号图形及数据显示，其间伴随TEC（热电制冷器）对探测器焦平面温度的反馈控制。

信号放大、信号优化阶段是比较考验设计的时刻，工业应用和医用有着不一样的要求，所以使得小信号放大成为关键节点，故根据配套的采样和预处理系统需要来选择合适的运放显得很重要。

红外热像仪适用于人群聚集场合，在人流量较大的场景使用。额温枪适用于医院和家用，对于精度要求较高。额温枪的核心器件是热电堆传感器，在传统的医用额温枪方案中电子元器件供需关系紧张时，不同厂商采用不同的方案保障生产计划。满足医用级额温枪、耳温枪精度要求的热电堆传感器应用，保证高精度不仅需要符合指标要求的硬件，软件开发以及系统标定和校准也同样重要。

目前额温枪的方案可以概括为三种： 1、数字型输出的热电堆传感器 + 低成本低功耗处理器方案；（在出厂前已经做了预校准，设计者做基本配置和简单出厂校准就能直接从传感器中得到目标温度值和环境温度值，是傻瓜式操作）； 2、热电堆传感+高精度自稳零运放 + 低成本低功耗处理器方案（最灵活，最难调试）； 3、热电堆传感+内部集成PGA（差分仪表放大器结构）的18位以上Sigma Delta ADC + 处理器的方案。

第2种方案的难点在于小信号处理，即对运放的挑选和使用。在实际应用中，难以真正达到医用级额温枪精度，或者即使勉强达到，其真实付出的硬件成本也并不低。热电堆传感器目标温度每变化0.1°C，输出电压变化量基本上在uV量级。对这个原始信号进行充分而准确的放大是关键。电路有以下几个要求：

运放需要使用正向放大拓扑结构。原因是热电堆传感器本身内阻较高，所以需要传感器接口电路必须是高阻输入。而运放只有在正向放大电路的拓扑结构下才能保证高阻输入。

需要偏置到大于0V的正电压。当测量目标温度小于环境温度时，热电堆传感器来输出是小于零的负电压。这就需要把热电堆传感器的输出负偏置到一个大于零伏的正电压。

图 3 第2方案的额温枪框图

图 3 第2方案的额温枪框图

运放自身的偏置（Offset）要很小，需要在uV级别，减小自身偏置对精度的干扰。 以及1/f噪声（0.1~10Hz等效输入pk-pk噪声）需要在uV级别。

运放增益是使用电阻对配出来的，而电阻对的温漂匹配度也需要考虑。

采集环境通道的那一路，也推荐使用运放来做信号调理，从热电堆传感器原理来讲，环境温度采集精度事实上直接影响目标温度的精度。

综合以上的要求，第2种方案想要达到医用精度，需要付出的采集周边调整的软硬件成本都不低。需要设计者对于运放的选择和使用得心应手，并做到精简设计。

第3种方案是比较适用于医用额温枪的方案，其中采用的Sigma Delta ADC，一般在配置为较低输出率（ODR）的情况下，可以保证很高的信噪比。其输入等效噪声在nV级， 比1uV的要求小10倍以上，完全可以满足热电堆传感器用于额温枪的应用场合。输入一般为差分输入，相对处理器内部的单端输入ADC而言，差分输入的优点是对于热电堆信号负上的共模电压，几乎没有任何精度上的要求。

除了额温枪，血压计、血氧仪、肺活量计、心率监测器、呼吸机等医疗产品，都是对人体的生理模拟信号予以测量的产品，初始信号往往比较微弱，需要进行放大、过滤处理，也是运算放大器的重要应用场合。传感器（感官）+运算放大器（神经末梢）+ADC（脑）+处理器（心脏）是医疗终端的典型器件组成。（如图4为指夹血氧仪硬件框图）。

图4 指夹血氧仪硬件框图

医疗传感器监测到的温度、湿度、气体、流量或生理信号，施以适当的信号放大调理链路极为重要，在模拟前端（AFE，Analog Front End）电路设计中，运算放大器（OPA，Operational Amplifier）是最关键的器件，选择低噪、高精、低功耗、低偏置电流的运算放大器，能直接影响产品测量结果的精准度。如今的运放技术已可实现 µV 级失调电压、nV 级漂移和超低噪声性能。在实际电路中，运放通常结合反馈网络共同组成某种特定功能模块。

图 5 压力传感器框图

除了医用场景，比如压力传感器（如图5）、液位变送器等工业应用产品，都是传感器+运算放大器+ADC（+处理器）的典型应用。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、等众多行业。

在工业生产中，高温熔体压力传感器广泛用于塑料、化纤、橡胶、锅炉等行业的高温熔体压力测控；在生活中，也有应用于空调的中央空调型压力传感器、变送器；在输油管道里，需要智能数显压力控制器；在汽车中，需要胎压监控；在航空领域，比如此次的嫦娥五号采集月壤时需要探头压力检测、采集月壤归途需高温压力传感器。

压力传感器通常转换成仅依赖于压力大小的较高的电压电流等信号，再显示出来。因此需要注意几点：

1、要首先考虑如何获取有用信号并且将噪声做到最小化。尤其是测量非常小的物理量时，转换元件固有的转换噪声等背景噪声信号就会比较明显，甚至将测量信号湮没。

2、传感器在设计时电路要足够精炼简约，才能有效提升信噪比。才不会发生放大信号的同时将噪声也一同放大的情况，更不会陷入因噪声困扰，电路越修改越复杂，复杂电路又会带来更多噪声困扰的恶性循环中。

3、选用合适的元器件，采用带有较好的共模抑制比的运放、差分放大电路设计或许就能够满足电源指标。此外，尽可能降低电源的回路所产生的噪声也是需要重视的。

要做到精简设计的同时达到既定目标，需要选择合适的运放。一般在设计时选用精密运放。

精密运算放大器一般指失调电压低于1mV的运放，对于直流输入信号，输入失调电压（VOS）和它的温漂小就行，但对于交流输入信号，还必须考虑运放的输入电压噪声和输入电流噪声。

在传感器类型和（或）其使用环境带来许多特别要求时，例如超低功耗、低噪声、零漂移、轨到轨输入及输出、可靠的热稳定性和对数以千计读数和（或）在恶劣工作条件下提供一致性能的可再现性，运算放大器的选择就会变得特别困难。精密运算放大器的性能比一般运放好很多，比如开环放大倍数更大，CMRR更大，速度比较慢，GBW，SR一般比较小。失调电压或失调电流比较小，温度漂移小，噪声低等等。好的精密运放的性能远不是一般运算放大器可以比的，一般运放的失调往往是几个mV，而精密运放可以小到1uV 的水平。

要放大微小的信号，必须用精密运放，用了一般的运放，它自身都会带入很大的干扰。要通过外围电路改善，小幅或者微调可以，但无法大幅度或者彻底改变。

额温枪、压力传感器等是典型的需要小信号放大的应用。除了放大以外，运放对信号还有其他调理功能，如信号进行反相输出，做恒流源，恒压源。在电源电路中，运放还可以进行检波、精密半波整流等等。但是，在传感器领域，运放最受重视的，还是精密的小信号放大能力，也是最为人所熟知的。

就像在额温枪的部分所说到的，对于产品来说，不同的方案有不一样的标准和保障精度，所以选择的运放标准也不尽相同。无论如何选择，传感器总是离不开运放的。

3PEAK旗下目前有纳安运放、低噪运放、零漂运放、高速运放、微功耗运放等，精密度和影响能够满足工程师的设计需求，应用于测温枪和手持云台的有TP5551，是低噪声的零漂单运放；应用于红外热成像仪和扫地机的TPH2501 / TPH2502，是高速运放；此外，3PEAK的预算放大器产品在家用电器、无人机、光伏逆变器、共享单车等领域都有应用。

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