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物聯網 (IoT) 和智能家居的實現首先離不開感應，而它也是發燒友、制造商，甚至是專業設計師面臨的首個難題。很多價格相對低廉的傳感器，比如加速計、力傳感器、應變計和壓力變送器，都圍繞電阻式惠斯通電橋而設計，因此，它們以毫伏 (mV) 級輸出差分電壓。

在進一步繼續之前，需要準確捕獲并放大這些低電平信號，使它們達到與微處理器模數轉換器 (ADC) 兼容的電平而不造成直流偏移和噪聲。同樣地，使用高壓側分流器進行電流檢測，需要沒有接地參考輸入且能夠承受較大共模電壓的放大器。

為確保捕獲的數據準確，制造商和發燒友需要熟悉儀表放大器 (INA)。INA 是平衡差分放大器，具有可輕松控制的增益、較小的失調漂移和消噪屬性。它在家居控制應用中與低成本變送器相輔相成。同時，由于 INA 具有兩個不以地為基準的高阻抗輸入，因此也適用于各種類型的浮動差分測量。

本文將介紹傳感器-處理器信號鏈，以及放大器階段對共模抑制、準確性和穩定性的需求。另外還將介紹特定傳感器和 INA 及其使用方法。

壓阻式變送器

使用壓阻式元件的變送器是最熱門的傳感器系列之一。它們可用于測量應力、作用力、加速度和壓力等等。

尺寸較小的壓阻式元件與變送器的機械元件相連。這些元件可以是條形、板形、彈簧狀，或者是膜片狀。感應到的預期參數導致機械結構變形。壓阻式元件會經受應力，該應力與改變元件電阻的感應參數成正比。

壓敏電阻器元件的電阻通常是惠斯通電橋電路配置的一部分（圖 1）。如果電橋的輸入電壓固定且四個電阻的值全部相同，則該電橋達到所謂的平衡，輸出電壓 V_OUT 為零。

圖 1：在惠斯通電橋中，變送器通常屬于四個電阻元件之一。隨著電阻因壓力或其他作用力發生變化，輸出電壓也會成比例變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

圖 1 中的 R4 代表變送器。壓力或其他被測參數的變化導致機械結構和電阻經受應變，從而改變壓敏電阻器的電阻。這將導致變送器的電阻偏離其標稱值，根據所施加的壓力成比例發生變化。而電橋的輸出電壓 V_OUT 與電阻的變化成正比，因而也與傳感器元件的壓力成正比。

需要注意的是，V_OUT 標稱值為 V_IN 的一半。此電壓為共模信號電壓。對于滿量程電壓范圍為 50 mV 的變送器而言，1% 的電壓增量等于 0.5 mV。如果它處于 2 V 的共模電平，共模抑制比 (CMRR) 需要為 72 dB 才能解決電壓變化問題。

NXP Semiconductors 型號為 MPX2050DP 的 50 kPascal (7.5 psi) 雙端口壓力變送器，可提供 40 mV 滿量程輸出信號電平（圖 2）。雙端口配置可用于測量壓差或表壓（參考大氣壓）。

圖 2：NXP Semiconductors 型號為 MPX2050DP 的 7.5 psi 壓阻式雙端口壓力變送器，滿量程輸出信號電平為 40 mV。（圖片來源：NXP Semiconductors）

商用變送器結合使用溫度補償網絡，以確保變送器僅響應預期參數，而不響應變送器環境的變化。

TE Connectivity 型號為 FX1901-0001-0050-L 的產品是一款壓阻式壓縮力傳感器，具有 22.68 kgf (50 lbf) 的量程。該傳感器測量壓縮力而非壓力，但它使用類似的惠斯通電橋測量拓撲作為壓力變送器。它具有 20 mV/V 的靈敏度，因此，當電源電壓為 5 V 時，滿量程負載靈敏度為 100 mV。

這些變送器之間的共同特點是差分輸出電平在毫伏范圍內，需要放大后才能用于 ADC。此時，儀表放大器 (INA) 派上用場。

儀表放大器 (INA)

INA 是基于運算放大器技術的一種差分放大器，具有差分輸入和單端輸出。該放大器是差分放大器，因此能夠衰減共模信號，而衰減的程度即為前文提及的 CMRR 規格。因此，INA 很適合在存在較大共模信號或偏移時，將小信號放大。此外，INA 的特征還包括，穩定、準確并可輕松調整的增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗。

INA 有兩種常見的電路拓撲結構可用。最常見的是圖 3 中所示的三重運算放大器設計。在此電路配置中，放大器 U1 和 U2 是非逆變輸入緩沖器。它們的輸出將饋送給差分放大器 U3。INA 的增益主要通過電阻 R_G 設置。參考輸入通常在不用時接地，控制著輸出失調電壓電平。檢測輸入可用于改變輸出差分放大器的增益。不用時，它會與差分級的輸出關聯。

圖 3：INA 三重運算放大器配置的交流 CMRR 通常高于雙重運算放大器配置。增益由 R_G 確定。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

使用雙重運算放大器拓撲結構可減少所需的運算放大器數量（圖 4）。

圖 4：INA 雙重運算放大器配置可節省成本和功耗。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

此電路拓撲結構僅使用兩個運算放大器，可節省成本和功耗。雙重運算放大器電路的非對稱配置可能會造成多個問題，從而限制電路的有效性。最主要的是，與三重運算放大器設計相比，它可能會降低交流 CMRR。

集成式 INA

Texas Instruments 型號為 INA333AIDRGT 的產品是基于三重運算放大器配置的 INA 示例。它提供零漂移電路，可實現出色的直流規格。可以通過單一外部電阻器將增益設置為 1 到 10,000。當增益大于 100 時，其 CMRR 為 100 dB。該產品專為 3.3 V 到 5 V 的工業應用而設計。其帶寬取決于增益，單位增益下，最大帶寬為 150 kHz。

相比之下，Texas Instruments 的 INA332AIDGKR 是一款寬帶 INA，基于改良的雙重運算放大器模型，具有一個額外的增益級。通過改變單一外部電阻器的值，其增益在 5 到 1,000 的范圍內可調。CMRR 通常為 73 dB。它的帶寬明顯更寬，達到 2 MHz。

將 INA 集成到單片集成電路中，可以精確匹配有源和無源元器件，從而保證更好的增益和 CMRR 控制（圖 5）。

圖 5：Texas Instruments INA333 和 INA332 儀表放大器的簡化示意圖對比，展示 INA 三重和雙重運算放大器拓撲結構的商業實施模式。（圖片來源：Texas Instruments）

圖 6 中 Texas Instruments INA333 的參考設計顯示，使用儀表放大器支持惠斯通電橋變送器非常簡單。該設計將 120 Ω 的應變計用作有源變送器元件。此電路可應用于任何類型的惠斯通電橋變送器，并能通過 TINA TI SPICE 仿真器進行模擬。

圖 6：通過 Texas Instruments INA333 進行應變計放大器 TINA TI 仿真，結果顯示，應變計 (R_sg) 的標稱電阻為 120 Ω，R_sg 擺幅為 10 Ω 時，讀數范圍為 4.47 V。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

圖中的應變計 R_sg 具有 120 Ω 的標稱電阻，可能會在 115 Ω 與 125 Ω 之間變動。目標在于將此變動應用至具有 0 到 5 V 輸入范圍的 ADC。

為此，放大器增益設置為 1,001，參考電壓為 2.5 V。直流轉換特性將 INA 的輸出電壓繪制為應變計電阻變化的函數。仿真中的光標讀數顯示，應變計電阻擺幅為 10 Ω 時輸出范圍為 4.47 V。

高壓側電流檢測

使用低值電阻分流是測量電流的最常用方法之一。對于通過幾個放大器進行的電源測量，一個約為 10 毫歐 (mΩ) 的電阻器產生的壓降為每個放大器 10 mV（圖 7）。

圖 7：將 INA 應用于高壓側電流檢測，其中分流電阻器 (R_SENSE) 位于 INA 電壓源和負載之間。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

如果分流電阻器置于負載與接地之間，則稱為低壓側電流檢測。將檢測電阻置于電源和負載之間則稱為高壓側電流檢測。高壓側檢測具有消除接地干擾的優點。它還可用于檢測負載接地故障。

進行高壓側電流檢測時，需要認真研究應用于儀表放大器的共模電壓，這一點稍后將討論。

如果 R_SENSE 為 10 mΩ，則 5 A 的電流擺動將在電阻器中產生 50 mV 的電壓。將 INA 的增益調整到 100 將造成 5 V 的輸出擺動。

避免常見 INA 問題

如前所述，仔細考慮 INA 的共模電壓范圍很重要。以圖 6 中的應變計測量為例。INA 由單一 5 V 電源供電以簡化配電。如果按雙電源供電的常見情況將參考輸入接地，則輸出擺動集中在 0 V 左右。由于兩個 INA 輸入都接近 2.3 V，其輸出將接近 0 V，且無法在 0 V 基準以下擺動。將檢測輸入提高到 2.5 V 可將輸出電壓集中到 2.5 V 左右，允許其上下擺動。

另外，還要務必確保內部緩沖放大器在高增益工作時不會飽和。考慮一下 INA 輸入為 5 mV 且增益為 1,000 時，會發生什么。在此情況下，輸入緩沖的輸出間存在 5 V 的差異。如果 INA 在 5 V 電源下操作，則其中一個緩沖將處于飽和狀態。幸運的是，Texas Instruments 等 INA 供應商提供特定應用程序（“儀表放大器的 V_CM 與 V_OUT”）來檢查其儀表放大器的共模范圍。

最后還要注意 INA 輸入的接地回路。如果輸入為 AC 耦合或者連接到熱電偶等浮動裝置，則應將高值電阻器從輸入連接到地面，以釋放放大器的輸入偏置電流。

總結

在實施設計的過程中，發燒友和專業工程師很快發現，將傳感器連接到 IoT 首先需要非常了解如何獲取并放大惠斯通電橋發出的低電平信號，然后再用 ADC 將其轉換為數字域。

INA 非常適用于放大差分信號。它們提供高增益、高共模抑制和高輸入阻抗。由于它們有各種各樣的配置，務必了解其工作原理、關鍵規格及使用注意事項。