原创 传感器的接口电路(1/3)

2020-11-11 15:48 1896 19 7 分类: EDA/ IP/ 设计与制造 文集: 传感器

译者:穆心

译注:本文为《现代传感器手册(第四版)》一书英文版第五章的中文翻译,分三部分发出。译者出于学习和了解的目的翻译该文,同时也希望向同业就教,旨在厘清概念,夯实基础,启迪思维,促进创新。传感器可以千变万化,理论基础则万变不离其宗。而作为能够广泛应用的产品,又离不开具有创新精神的企业多年锲而不舍的精心研制和打磨。所以成功的企业,不只是创新基因强大,还必定是在诸多细节上不断积累自己的优势。制造设备可以一样,制造工艺可以大同小异,最终被市场所接受的,必定是那些具有优良性价比的产品。通过本文,可以对如何在具体的细节上改进产品窥知一二,进而举一反三。译者也希望借此能把个人爱好和个人的专业背景,与促进传感器产业的发展达成些微的联系;能够以绵薄之力,对从事或有志于从事研发制造传感器的工程技术人员及学生提供些微帮助。

原书名:《现代传感器手册——原理、设计和应用》,第四版,2010年;作者:雅各布•弗瑞登(Jacob Fraden)。

1 接口电路的输入特性

系统设计者很难把传感器直接连接到处理、监测或记录装置上,除非传感器带有内置的具有合适输出格式的电路。传感器产生的电信号常常是太弱,或太多噪声,或包含不需要的成份。此外,传感器的输出可能与数据采集系统的输入要求不匹配,即可能具有不适当的输出格式。为了使传感器与处理器件匹配,它们或者必须分享“共同值”,或者在其间需要有某种“配对”部件。换句话说,来自传感器的信号在输入处理器件(负载)之前,通常需要调节。这里提到的负载通常需要电压或电流作为其输入信号。

接口电路或信号调节电路具有特定目的:把来自传感器的信号变成与负载器件相匹配的格式。图1表示激励作用于传感器,传感器则通过接口电路连接至负载。为了有效地发挥作用,接口电路必须是两个主人的忠实奴仆:传感器和负载器件。其输入特性必须与传感器的输出特性匹配,其输出必须可连接至负载。我们关注的是传感器,所以下面我们将只讨论接口电路的前置部分。此外我们将讨论一些典型的有源传感器所需的激发电路,即用于那些需要电信号才能产生电输出的传感器的电路。

1. 接口电路匹配传感器和负载器件的信号格式

接口电路的输入部分可以通过几个标准数值加以规定。这些数值对计算该电路能如何精确地处理传感器的输出信号,以及该电路在总误差分配中占有多大份额,都是有用的。

输入阻抗表示传感器的电路负载有多大。阻抗可用复数形式表示为:

                                                               1

其中VI是施加于输入阻抗的电压和电流的复数表示。例如,如果电路的输入模型化为输入电阻R和输入电容C的并联(图2a),则其复数输入阻抗可表示为

                                                   2

其中是角频率,j=是虚数单位。在很低频率时,具有相对较低的输入电容和电阻的电路,其输入阻抗几乎等于输入电阻:。所谓相对较低,这里意味着上公式的电抗部分较小,即下式成立:

                                                       3

2.a)接口电路的复数输入阻抗;(b)电压生成传感器的等效电路

考虑电路的输入阻抗时,必须同时考虑传感器的输出阻抗。例如,如果传感器具有电容性质,要确定输入级的频率响应,传感器的电容必须以并联方式与电路的输入电容相连。公式(2)提示,输入阻抗是信号频率的函数。随着信号变化速率的增加,输入阻抗减小。

2b表示一种电压生成传感器的等效电路。该电路由传感器的输出阻抗Zout和电路的输入阻抗Zin构成。来自传感器的输出信号用电压源e表示,其以串联的形式与传感器的输出阻抗相连。除电压源外,对某些传感器,把其输出信号表示为来自电流源则更为方便,这时需要以并联的方式与传感器输出阻抗连接。两种表示方法互相等效,所以我们采用电压形式。考虑到两者的阻抗,电路输入电压Vin表示为

                                                     4

在一些特定情况下,需要对传感器的等效电路给以定义。这有助于分析传感器—接口电路组合的频率响应和相位滞后。例如,电容式探测器可模型化为以并联方式与输入阻抗连接的纯电容。另一个例子是压电式传感器,其可以表示为带有分流电容(大约10pF)的阻值很高的电阻(大约)。

为了说明输入阻抗特性的重要性,让我们考虑一个连接于输入阻抗的纯电阻式传感器,如图2所示。作为频率f的函数的电路输入电压可以由下式表示

                                                            5

其中是转折频率(即振幅下降3dB时的频率)。如果我们假定振幅检测时需要1%的精确度,那么我们就可以计算出电路能够处理的最大激励频率:

                                                     6

或者;也就是说必须如此选择阻抗,才能确保足够高的转折频率。例如,如果激励的最高频率是100Hz,转折频率必须选择为至少700Hz。实际上,fc要选择得更高些,因为后续电路中还有额外的频率限制。

不能忽略接口电路的前置电路的响应速度。最常用于接口电路构建模块的运算放大器,通常具有有限的频带宽度。有所谓的可编程运算放大器,能让使用者控制(编程)偏置电流,从而控制前置电路的频率响应。电流越大,响应就越快。

3. 输入级电噪声源的等效电路

3是一种接口电路输入特性的更详细的等效电路,例如放大器或A/D转换器。该电路表征为输入阻抗Zin和几个发生器。这些发生器表示由电路自身产生的电压和电流。这些信号是寄生的,如果不妥善处理,可能会造成严重的问题。所有这些干扰信号都与温度有关。

电压e0称为输入偏移电压。如果电路的输入端短路,该电压会冒充存在一个具有e0的值的输入dc信号。需要注意的是,偏移电压源与输入串联,其导致的误差与传感器的输出阻抗无关。

输入偏置电流i0也是由电路产生的。对于很多双极型晶体管来说,其值相当高,对于结型场效应管则很小,CMOS电路就更小。当电路或传感器用在高阻抗器件时,这个电流可能会带来严重问题。偏置电流流过电路的输入阻抗和传感器的输出阻抗,导致寄生的压降。该电压可能会达到能造成影响的量级。例如,如果一个压电式传感器连接到具有)输入电阻的电路,输入偏置电流为1nA),输入端的压降即等于,这的确是很高的值。与偏移电压相比,偏置电流导致的误差正比于传感器的输出阻抗。对于具有低输出阻抗的传感器,该误差小到可以忽略。例如,电感式检测器就对偏置电流的大小或变化不敏感。

用于高阻抗电路时,电路板的漏电流可能成为误差的来源。该电流可能是印刷电路板(PCB)中的较差的表面电阻导致的。产生的原因可能是:质量低劣的PCB材料,焊剂残渣造成的表面污染(清洁不良的电路板),潮湿,失效的保护涂层。图4a表示电源总线和板电阻RL可以导致通过传感器输出阻抗的漏电流iL。如果传感器是电容性的,其输出电容会被漏电流快速充电。这不仅会导致误差,甚至还会导致传感器损坏,特别是当传感器用于一些化学混合物时(比如电阻式湿度传感器)。

已知有几种技术可使电路板漏电流最小化。一种是仔细安排电路板布局,使高电压导体避开高阻抗器件。在多层电路板中经厚度方向的漏电也不容忽视。另一种方法是电气防护,这是一种老方法了。所谓的有源屏蔽也很有效。其做法是用连接到与输入具有相同电势的低阻抗点的导电线路覆盖输入电路。这种防护装置从电路板的其它点吸收漏电流,极大减少了可能到达输入端的电流。要彻底消除漏电流,需要在印刷电路板两面都有防护环路。举例来说,放大器就带有防护环路,由放大器反相输入的相对较低阻抗驱动。

4.a)电路板漏电影响输入级;(b)输入级的有源屏蔽

十分可取的做法是把高阻抗接口电路置于尽可能靠近传感器的位置。然而有时连接线是无法避免的。这时推荐采用具有良好绝缘的同轴屏蔽电缆。对于关键应用,聚乙烯或高级纯(未经改性的)特氟龙是最佳选择。除了潜在的绝缘问题外,甚至短的布线也会在高内阻时导致无法接受的带宽下降。这些问题通过改善电线屏蔽即可在很大程度上避免。图4b表示连接于放大器反相输入端的电压跟随器。跟随器驱动电线的屏蔽,从而减小因电线弯曲导致的电线的电容、漏电流和寄生电压。跟随器同相输入端的小电容改善了其稳定性。

必须避免的另一个问题,是把除了传感器以外的、有可能导致问题的器件连接至放大器的输入端。这种“麻烦制造者”的一个例子是陶瓷电容器。希望滤除输入端的高频传输噪声时,设计者往往在输入端或输入级的反馈电路中采用滤波电容器。如果出于节约成本或节省空间的原因选用了陶瓷电容器,就会带来不希望出现的麻烦。很多电容器具有所谓的电介质吸收特性,表现为一种记忆效应。如果这种电容器承受来自传感器或电源、或只是来自任何外部噪声源的尖峰电荷,该电荷就会改变电容器的介电特性,让电容器此时变得像个小电池。这个“电池”或许会花很长时间才会耗尽其电荷:从几秒到数小时。由此“电池”产生的电压被加至传感器的信号,有可能导致明显的误差。如果在输入级必须使用电容器,应该采用薄膜电容器,而不是陶瓷电容器。

2 放大器

大多数无源传感器只产生微弱的输出信号。这些信号的大小可能在微伏(V)或微微安(pA)的量级。换句话说,标准的电子数据处理器,诸如A/D转换器、调频器、数据记录器等等,需要伏特(V)和毫安(mA)这样的量级相当大的输入信号。因此需要把传感器输出信号进行放大,电压增益需高至10,000,电流增益需高至1百万。放大是信号调节的一部分。有几种标准配置的放大器,可用于放大来自各种传感器的信号。这些放大器可由分立元器件构成,诸如半导体器件、电阻、电容和电感。作为另一种选择,放大器也常常由标准构建模块组成,诸如运算放大器和各种分立元器件。

需要清楚了解的是,放大器的用途十分广泛,不只限于增加信号大小。放大器也可以是阻抗匹配器件,信噪比增强器,滤波器,以及输入和输出之间的隔离器。

2.1 运算放大器

放大器的基本构建模块之一,是所谓的运算放大器(OPAM),其可以是集成型(单片电路)或混合型(由单片电路和分立器件组成)电路。集成OPAM可以包含数百个晶体管以及电阻和电容。通过在OPAM周边配置分立元件(电阻、电容、电感等),模拟电路设计者可以创建无数种有用电路,不仅仅是放大器,还可以有很多其它类型的电路。运算放大器也可用于模拟或混合技术类型的定制集成电路的构成单元。这些电路被称为专用集成电路,缩写为ASIC。下面我们将介绍一些采用OPAM的典型电路,这些电路经常使用于连接各种传感器。

作为构建模块,好的运算放大器具有如下性能(OPAM原理图表示见图5):

Ÿ   双输入:一个反相(-),一个同相(+);

Ÿ   高输入电阻(数百M甚至G的量级);

Ÿ   低输出电阻(零点几);

Ÿ   具有驱动电容负载的能力;

Ÿ   低的输入偏移电压e0(几个mV甚至V);

Ÿ   低的输入偏置电流i0(几个pA甚至更低);

Ÿ   很高的开环增益(至少,最好是超过)。即OPAM必须能够以为因数,增大(放大)其两个输入之间的电势差Vin

Ÿ   高共模抑制比(CMRR)。即放大器抑制施加于其两个输入端的同相等幅输入信号(共模信号)VCM

Ÿ   低的固有噪声;

Ÿ   宽的工作频率范围;

Ÿ   对电源电压的变化敏感性低;

Ÿ   其自身特性具有高的环境稳定性。

关于详细信息和应用指南,使用者可参考相应制造商出版的数据手册和商品目录。这样的商品目录通常包括关于OPAM的每个重要特性的选择指南。例如,OPAM按照诸如低偏移电压、低偏置电流、低噪声、带宽等等标准进行分级。

5.a)运算放大器的通用符号;(bOPAM的增益/频率特性

5a表示没有任何反馈组件的运算放大器。所以其工作在所谓的开环状态。OPAM的开环增益总是标明的,但其并不是一个很稳定的参数。其与频率的关系可以用图5b近似表示。AOL随负载电阻、温度和电源波动而变化。很多放大器具有0.21%/量级的开环增益温度系数,以及1%/V量级的电源增益敏感性。OPAM很少用于开环(没有反馈组件),因为高的开环增益会导致电路失稳,以及大的温度漂移、噪声等等。例如,如果开环增益是10V输入电压的偏移可导致大约1V的输出偏移。

OPAM放大小幅高频信号的能力由增益带宽乘积(GBW)指定,其值等于放大器增益为一时的频率f1。换句话说,高于f1频率时,放大器则无法放大。图6a表示同相放大器,其中电阻R1R2构成反馈回路。此时的增益A=1+R2/R1是闭环增益。其在相当宽的频率范围都可看作常数(见图5b),然而不管是否有反馈,f1都是频率限制因子。线性度、增益稳定性、输出阻抗和增益精度都可以通过反馈深度加以改善,且这时主要取决于反馈组件的特性。作为适度精度的一般原则,在所关注的最高频率,OPAM的开环增益应该大于其闭环增益的100倍。对于更高的频率,开、闭环增益比值应该为1,000或更大。

6.a)同相放大器;(b)用连接于运算放大器输入端的发生源表示其偏移电压和偏置电流

OPAM的典型数据手册指定偏置和偏移电压。由于制造技术的限制,任何OPAM不仅是个纯放大器,而且会是个可能与输入相关的电压和电流的发生器(图6b)。因为这些寄生信号实际上施加于输入端,就与有用信号一起被放大了。

由于偏移电压和偏置电流,当施加零输入信号时,接口电路并不产生零输出。在直流耦合电路中,这些不良输入信号可能无法与有用信号区别开来。如果在所需精度下输入偏移电压仍然很大,可以由放大器直接将其消除(如果放大器具有消除端),或者采用单独的偏移补偿电路消除。

应用工程师会关注输出偏移电压,其可由下式导出:

                                              7

其中Reqv是输入端的等效电阻(传感器的输出电阻和放大器的输入电阻的结合),e0是输入偏移电压,i0是输入偏置电流。偏移与温度有关。在放大器具有高增益的电路中,输出电压偏移会是明显误差的来源。有几种方法来解决这个问题。其中一个方法是选择具有低偏置电流、高输入电阻和低偏移电压的放大器。斩波稳定式放大器对减小偏移电压有特殊效果。

2.2 电压跟随器

电压跟随器(图7)是一种提供阻抗由高至低转换的电路。典型的跟随器具有高输入阻抗(高输入电阻和低输入电容)和低输出电阻(输出电容无差别)。好的跟随器具有十分接近于一(较低频率时的典型值为0.999)的电压增益和高电流增益。本质上它是个电流放大器和阻抗转换器。其高输入阻抗和低输出阻抗,使其在许多传感器和信号处理器件之间起到不可或缺的连接作用。

连接于传感器时,跟随器对其性能的影响很小,由此在传感器和负载之间提供缓冲作用。设计跟随器时,以下这些技巧或许是有用的:

Ÿ   对于产生电流的传感器,跟随器的输入偏置电流必须小于传感器的电流至少100倍。

Ÿ   输入偏移电压必须或者可以微调,或者小于要求的最低有效位(LSB)。

Ÿ   偏置电流和偏移电压的温度系数应该在整个温度范围区间不会导致大于1LSB的误差。

7. 采用运算放大器的电压跟随器

2.3 测量放大器

测量放大器(IA)具有两个输入和一个输出(图8)。其与运算放大器的区别在于它的有限增益(通常不大于100)和连接至信号源时其两个输入的可用性。后一个特性意味着所有需要的反馈组件连接至测量放大器的其它部分,而不是其同相和反相输入。IA的主要功能是产生一个正比于其两个输入之间电压差的输出信号:

                                            8

其中V+V-分别为同相和反相输入端的输入电压,a是增益。确保两个输入端具有高的输入电阻很重要,以便放大器能够用于真正的差分形式。放大器的差分输入对于抑制具有相加性质的共模干扰十分重要。因此IA应具备高的共模抑制比(CMRR),即其输出信号应该对V+V-的值不敏感,但只对两者的差异做出反应。

测量放大器可以用几个独立的OPAM以单片或混合的形式构建。现在,测量放大器已经可以由很多制造商以单片电路的形式提供。一个高质量的单片测量放大器的例子是由德州仪器公司制造的INA118。该放大器具有50V的低偏移电压(当两个输入端连在一起时这款IA产生的输出信号)和高的CMRR110dB)。增益由单一电阻设置。同样,许多集成电路,诸如微控制器或DSP(数字信号处理器),都有内置的、作为输入传感器和内部A/D(模拟至数字)转换器之间直接接口的输入测量放大器。

8. 测量放大器

2.4 电荷放大器

电荷放大器(CA)是一类十分特殊的电路,其必须有极低的偏置电流。这类电路用于把来自电容式传感器、量子探测器、热电传感器和其它器件的信号转换为电压信号,这些器件产生很小的电荷(微微库仑量级,pC)或电流(微微安量级)。电荷至电压转换器的基本电路示于图9a。电容C接入OPAM的反馈网络。其漏电阻r必须明显大于最低工作频率时电容的阻抗。通常推荐采用优质薄膜电容,同时采用优质印刷电路板,其上组件用保形涂层涂覆。

此转换器的传递函数为

                                                         9

对于精密应用,可以选择专门集成电荷感应前置放大器的商业化产品。

很多传感器可被模型化为电容。一些电容式传感器是有源的,即它们需要激发电路。例如麦克风、电容式力学和压力传感器,以及湿度探测器。其它电容式传感器是无源的,即可直接把激励转换成电荷或电流。例如压电式和热电式探测器。也有非电容式传感器可视为电流发生器。一个例子是光电二极管。

9. 电荷至电压(a)和电流至电压(b)转换器

10. 电流产生传感器的等效电路

电流产生传感器模型化为漏电阻r与具有无限高内阻的电流源并联(图10)。传感器产生电流i,其有两个路径流出:一个是通过传感器漏电阻r的电流i0,另一个是流向接口电路输入阻抗ZL的电流iout。显然电流i0是无用的,要使电流至电压转换的误差最小化,传感器的漏电阻必须远大于接口电路的阻抗(图11)。

11. 同相电流至电压转换器

欧姆定律提示,要把电流iout转换成电压,电流要通过一个合适的阻抗,该阻抗两端的压降要正比于电流的幅度。图9b表示一个基本的电流至电压转换器,其中电流发生传感器连接至作为虚拟地的OPAM的反相输入。换句话说,反相输入端的电压几乎等于接地的同相输入端电压。传感器在其输出端接近于零电压状态工作,其电流决定了OPAM的输出电压:

                                                             10

12. 电阻倍增器(a)和(b

为了电路的稳定性,通常需要有r<<R的电阻,因为在高频时,如果没有这样的电阻,OPAM会工作于接近开环增益状态,有可能导致振荡。若传感器不具有小内阻就更需注意。虚拟接地的优点是输出信号与传感器的电容无关。该电路产生在相位上相对于电流偏转180°的电压。示于图12a的同相电路能够转换和放大这样的信号,然而其速度响应取决于传感器的电容和转换电阻R1两者。因此,对阶跃函数的时域响应可表示为

                                           11

当转换电流来自压电式和热电式这样的传感器时,电阻Rb(图9b中的R)可能需要有数十或数百吉欧的量级。在很多情况下,这么高阻值的电阻也许不易获得,或者由于差的环境稳定性而无法使用。高阻值电阻可由电路来模拟,被称为电阻倍增器。通过在放大器的正输入端采用该放大器的正反馈配置来实现。图12a表示用R1R3形成电阻分压器。由于OPAM的高开环增益,在同相和反相输入端的电压几乎相等:。由此分压器的电压V2

                                                   12

流过电阻的电流通过压降确定:

                                                 13

由此公式,可得出作为输入电流和电阻回路的函数的输入电压:

                                                                  14

可见电阻Rb增加了倍增因子1+R3/R1。举例来说,如果你能够考虑的最高阻值是10,通过选择插入比如说是5的倍增因子,就可以得到50的等效电阻。作为一种有效的技巧,必须慎重使用电阻倍增。显然,噪声、偏置电流和偏移电压,所有这些也都会以同样的因子(1+R3/R1)倍增,在一些应用中这或许是不可接受的。加之,因为回路形成正反馈,有可能引发电路不稳定。因此在实际电路中,电阻倍增应当限制在因子10以内。如果放大器的负输入端需要电阻倍增,图12b的电路是现成可用的。电阻倍增的推导与公式(14)相同。

3 光至电压转换器

光至电压转换器基于光电传感器和电流至电压转换电路的组合。为了检测典型情况为一或几个光子的极低强度的光,通常使用光电倍增管,然而在要求不高的应用中,可采用三种类型的光电传感器:光电二极管、光电晶体管和光敏电阻。它们利用了爱因斯坦发现的光电效应,这为其赢得了诺贝尔奖。光电二极管和光电晶体管的区别在于半导体芯片的结构。光电二极管有一个p-n结,而光电晶体管有两个p-n结,晶体管的基级可能是空置的,也可能具有独立的端子。基级电流是光感应电流,经晶体管的b放大后产生集电极电流。因此光电晶体管相当于内置电流放大器的光电二极管。

13.a)光电二极管的等效电路;(b)与电流至电压转换器连接的

反相偏置的光电二极管;(c)电路的负载曲线

从电的角度来看,光电二极管可表示为如图13a所示的等效电路。其包括一个电流源(内输入阻抗无限大),一个并联的常规二极管(如同整流二极管),结电阻Rj,结电容Cj和串联电阻Rs。电流源产生正比于光通量的光电流。该电流以光电二极管的负极(-)至正极(+)的方向流过。注意在很强的光照下,光电流将开始通过非线性整流二极管流动,这会使线性度变差。

光电二极管可用于伏打或电流模式。伏打模式中,光电二极管连接至极高的电阻()和优质电压放大器。此时二极管的作用就像电池,其电压正比于光强度。该电压是光电流ip通过内部结电阻Rj产生的。而在电流模式中,光电二极管实际上是短路的(二极管两端电压为零),电流ip被导向电流至电压转换器,如下文的解释。这种节点连接很常用,特别是需要高速响应的应用。

14.a)带有电流至电压转换器的零偏置光电二极管;(b)传递函数图示

15.a)采用光电晶体管的光至电压转换器;(b)传递函数图示

采用运算放大器的电路示于图13b。注意参考电压Vr在光电二极管两端产生一个恒定的反向偏压。图13c表示具有负载电阻R的工作点。采用反向偏压光电二极管的电路具有高速响应和宽比例范围输出的特性。因而此电路被广泛使用。另一种采用运算放大器的电路是在光电二极管两端施加零偏置,如图14a所示。这种配置在宽的工作范围内提供接近理想的短路电流。输出电压(Vout)由Vout=ipR给定。图14b表示输出电压与辐射强度之间的关系(传递函数)。给光电二极管提供无偏置和高阻抗负载的配置,减少了暗电流的影响,增加了与辐射强度相关的光电流的线性范围。需要注意的是,在相当小的光照下要得到有效的输出(几百毫伏),电阻R的值要相当大,达到100甚至几个的量级。如果找不到这样的电阻,可以谨慎采用图12c中所示的电阻倍增电路。倍增因子不应大于10,因为电路中所有不好的因素都会倍增:偏移电压、偏置电流,以及噪声。使用高欧姆电阻时,光电传感器和接口电路需要做电气屏蔽。即使环境与这种电阻的微小电容耦合,也会带来很多干扰,特别是来自电源线(6050Hz)的干扰。

用于光电晶体管的接口电路是类似的,除了其集电极-发射极端子之间需要施加电压,如图15a所示。该电路的传递函数示于图15b。光电晶体管电路对光敏感得多,但代价是强光照时较高的非线性。

这里我们没有叙述用于光敏电阻的接口电路,因为任何合适的电阻测量电路都能用于此目的。一个例子是惠斯通电桥电路,我们将在下面讨论这种电路。

4 激发电路

有源传感器的工作需要外部电源。例如温度传感器(热敏电阻和RTD)、压力传感器(压电式和电容式),以及位移(电磁式和电阻式)。电源可用不同形式施加于传感器。可以是恒压、恒流,以及正弦或脉冲电流。甚至可以用光或电离辐射的形式提供。这种外部电源叫作激发信号。在很多情况下,稳定和精确的激发信号直接与传感器的精度和稳定性相关。因此,产生具有所需精度的信号,使传感系统的整体性能不会变差就十分必要。下面我们评述几种向传感器馈送合适的激发信号的电路。

4.1 电流发生器

电流发生器常用于以预先确定的电流馈送至传感器的激发电路,该电流在一定范围内与传感器特性、激励值或环境因素无关。一般来说,电流发生器(电流泵)是一种产生的电流与负载阻抗无关的装置。即在发生器的能力范围内,其输出电流的大小必须基本上保持与负载阻抗的任何变化无关。也就是说理想的电流源(发生器)具有无限高的输出电阻,因而任何串联的负载值不会导致任何改变。向变化的负载提供电流时,根据欧姆定律,相应的电压必须同步改变。

电流发生器能够用于传感器接口,在于其产生精确控制大小和形状的激发电流的能力。因此电流发生器不仅要产生与负载无关的电流,而且还必须能够由外部信号源(波形发生器)进行控制,在大多数情况下这种信号源具有电压输出。好的电流发生器必须能够产生以高保真度跟随控制信号,且在宽的阻抗范围与负载无关的电流。

电流发生器有两个主要特性:输出电阻和电压裕度。输出电阻要按实际情况尽可能的高。电压裕度则是在不影响输出电流情况下负载端能够达到的最高电压。对于高电阻负载,根据欧姆定律,一个给定的电流需要较高电压。例如,如果所需激发电流为i=10mA,在任何给定频率下最高负载阻抗为ZL=10,则需要至少iZL=100V的电压裕度。下面我们来了解一些有用的电路,这些电路在电压裕度增大时,其输出电流仍然能够由外部信号控制。

单极电流发生器既可称作电流源(产生流出的电流),也可称作电流阱(产生流入的电流)。这里单极的意思是其能够产生只有一个流向的电流,通常是流向接地端。很多这样的发生器利用了晶体管的电流-电压特性。电压控制的电流源或阱可包括运算放大器(图16)。在这样的电路中,精密和稳定的电阻R1确定输出电流iout。该电路带有通过OPAM的反馈环,以保持电阻R1的端电压恒定,因而电流也恒定。要在最大电压裕度时发送较高电流,检测电阻R1两端的压降需要尽可能的小。实际上所需电流等于V1/R1。为获得更好性能,流过输出晶体管基级的电流应该最小化,因而通常采用场效应晶体管而不是双极型晶体管作为输出电流发送器件。

众所周知,晶体管的集电极电流与集电极电压的相关性很小。这一特性被用于所谓的电流镜。电流镜具有一个电流输入和至少一个(可能有几个)电流输出。因此输出电流受输入电流控制。输入电流通过外部源(比如电压源加电阻)施加,应当具有已知的值。所谓的威尔逊电流镜具有大约与输出电流相同大小的控制电流,即具有1:1的输入-输出比。也可以设计出具有其它比值的镜子,比如1:21:4。商业化产品类的电流镜可能具有很宽的电流范围,比如美国模拟器件公司的集成电流镜产品ADL5315,其电流从3nA3mA

16. 带有OPAM的电流源

17.a)具有浮动负载同相电路的双极电流发生器;(b)具有虚拟接地的电路

对于很多传感器,可能需要双极电流发生器。这种发生器为传感器提供可以在两个反向(流入和流出)流动的激发信号。图17表示负载连接成反馈回路的运算放大器构成的同相(a)和反相(b)电路。通过负载ZL的电流等于V1/R1,与负载无关。负载电流在放大器的工作范围内跟随V1。该电路的一个明显的缺陷是其负载是“浮动的”,即该负载没有连接到接地总线或任何其它基准电压。对于一些应用这没有任何问题,不过很多传感器需要接地或其它的参考点。示于图17b的电路保持负载阻抗一端接近地电位,因为OPAM的同相输入端是虚拟地。不过即使在这个电路中,负载依然完全与地隔离。这种隔离的一个负面影响是获取各种传输噪声的可能性增加了。

18.a)带有负载接地参照的霍兰德电流泵的电流发生器;

b)具有两个OPAM的电流泵

在传感器必须接地的情况下,可以使用由MIT的霍兰德(Brad·Howland)发明的电流泵(图18a)。这种泵的工作基于对围绕运算放大器的负反馈和正反馈两者的利用。负载连接至正反馈环路。通过负载的电流由下式确定

                                                          15

微调电阻P必须调整到确保下式成立

                                                              16

该电路中,每个电阻或许具有相对较高的值(100或更高),但R5的值要相对小些。这个条件改善了霍兰德电流泵的效率,因为R5两端消耗了较小的电压,R4R3则消耗了较小的电流。对大多数电阻负载,这个电路是稳定的,不过为了确保稳定性,可以在负反馈中或/和在运算放大器的正输入到地间增加几个微微法拉的电容。若负载为电感性,当施加快速瞬态控制信号时,需要无限大的跟随电压以传送设定电流。因此电流泵会产生有限的输出电流上升斜率。流动的电流会在输出端产生感应尖峰,这对运算放大器有可能是毁灭性的。对大的电感性负载,用二极管连接负载至电源总线是明智的。

一种采用四个匹配电阻和两个运算放大器的高效的电流泵如图18b所示。其输出电流由下式确定

                                                          17

这种电路的优点是电阻R可选择相对较高的值,并可封装在相同热均一性的护罩内,以便获得更好的热跟踪性能。

4.2 电压基准电路

电压基准电路是一种产生很少受电源、温度、负载、老化和其它因素影响的恒定电压的电子器件。有几种技术常用于产生这样的电压。可获得的很多电压基准电路是单片形式,具有各种不同电压。大多数这种电路都与所谓的带隙基准电路一起工作。

4.3 振荡器

振荡器是各种电子信号的发生器。在很多利用微处理器或微控制器的应用中,可在I/O端口之一获得方波脉冲。若无法利用这种端口,就需要开发独立的振荡器。任何振荡器基本都由增益级和一些非线性的、带有一定数量正反馈的电路构成。根据定义,振荡器是一种非稳定电路(与放大器相对比,后者最好是稳定的!),其时间响应应该或者是稳定的,或者依据预设的函数相关性而变化。后者称为调制。通常有三种类型的电子振荡器,按计时元件分类为:RCLC和晶体振荡器。在RC振荡器中,工作频率由电容(C)和电阻(R)确定,LC振荡器中则由电容(C)和电感(L)元件确定。对于晶体振荡器,工作频率由特殊切割的压电晶体(通常为石英和陶瓷)的机械谐振确定。有很多不同的振荡电路,对其作全面介绍已超出了我们的范围。下面我们简单叙述一些实用电路。

很多不同的多谐振荡器可用逻辑电路构建,例如采用NORNAND门或二进制反相器。并且很多多谐振荡器可由比较器或具有高开环增益的运算放大器设计构成。在所有这些振荡器中,电容和电阻的组合都是一种计时组合。这种电路被称为张弛振荡器。充电电容的端电压与另一电压相比较,该比较电压或者是恒定的,或者以不同速率变化。两者电压相等的时刻由比较器测定。比较指令反馈到RC回路,以相反方向改变电容的充电,即放电。以新的方向再次充电至下一个比较时刻。以这种基本原理工作起码需要如下最少组件:一个电容,一个充电电路,一个阈值器件(比较器)。一些单片张弛振荡器可由很多制造商处获得,例如非常普及的计数器555型,这种电路能够工作在单稳态或非稳态模式。作为例证,下面我们仅叙述两种分立元件方波振荡器,不过这类电路多种多样,读者可参考关于运算放大器和数字系统的相关书籍。

一种非常普及的方波振荡器(图19)可由OPAM或电压比较器构建。放大器带有两个反馈环路:一个是负的(连接至反相输入),另一个是正的(连接至同相输入)。正反馈(经由R3)控制阈值电平,而负反馈环路则通过电阻R4使定时电容C1充电和放电。该振荡器的频率可由下式确定

                                           18

其中是电阻R1R2并联时的等效电阻。

19. 采用OPAM的方波振荡器

20. LC正弦波振荡器

20中所示的两种电路能够产生正弦波信号。该电路采用npn晶体管作为放大器,LC回路用于设定振荡频率。电路(b)在驱动LVDT位置传感器时特别有用,因为传感器的变压器成为了振荡电路的一部分。

21. 作为电容式占位探测器的LC射频振荡器

射频振荡器可用于电容式占位探测器的一部分,在其天线附近探测人的存在(图21)。天线是个线圈,与电容C2共同确定振荡频率。天线通过其分布式电容与环境耦合,使振荡器的频率有所减小。当有人进入天线附近时,引入了额外的电容,进一步降低了振荡器频率。振荡器的输出与谐振回路(典型情况是LC回路)耦合,该回路调谐在基准频率(接近30MHz)。

4.4. 驱动器

与电流发生器相反,电压驱动器必须在宽的负载范围上产生输出电压,且工作频率与输出电流无关。有时电压驱动器称为硬电压源。当要驱动的传感器是纯电阻时,通常驱动器可以是简单的输出级,能够提供足够的电流。不过当负载包括电容或电感,即负载为电抗性的,输出级就成为一个相当复杂的装置。

在很多实例中,虽然负载是纯电阻,还是会有一些电容性与之相关。这可能发生在负载连接于很长的电线或同轴电缆的情况。如果同轴电缆的长度大于同轴电缆中所需频率对应的波长的1/4,同轴电缆就表现为连接在其中心导线和屏蔽层之间的电容。同轴电缆的最大长度由下式给出

                                                      19

其中c是同轴电缆介质中的光速。

举例来说,如果f=100kHz=49.5,即电缆大于49.5 m时将表现为并联于负载的电容(图22a)。对规格为RG-58A/U的电缆,其电容为95pF/m。出于两个理由必须考虑这个电容:电路的工作速率和稳定性。不稳定起因于由驱动器输出电阻RO和负载电容CL产生的相移:

                                       20

例如,如果R=100C=1000pF,在f=1MHz时,相移。这个偏移明显减小了反馈回路中的相位裕度,这会导致响应的显著变差,降低驱动电容性负载的能力。当整个系统振荡时,不稳定就成为整体性的;或者当驱动器自身失稳时,不稳定性则是局部的。局部不稳定性可用连接于电源两端的大旁路电容(10量级)解决,或者用所谓的Q抑制器,由串联的310电阻和盘式陶瓷电容连接驱动器电源端至接地构成。

22. 驱动电容性负载。(a)负载电容通过反馈与驱动器输入耦合;(b)电容负载的解耦

要使驱动级对电容性负载更加兼容,可以用小的串联电阻进行隔离,如图22b所示。小的电容(Cf)反馈至放大器的反相输入端,10的电阻则能够驱动大到0.5的负载。不过在任何具体情况下,推荐采用实验方法找出该电阻和电容的最佳值。

4.5 光学驱动器

在一些应用中,光学传感器接收来自自然光源的光,例如天体或火焰,也接收来自人造光源的光,例如闪光材料、白炽灯或荧光灯。在很多其它情况下,必须提供特殊光源。一个例子是电视机遥控接收器的光探测器。这种传感器在接收到来自遥控发送器的连续光(近红外)脉冲时才会产生输出。发送器必须包含具有匹配光谱特性的光发射器。最常见的光发射器是发光二极管(LED),其工作在从UV至近红外频谱范围。LED产生的光的强度近似正比于流过二极管的电流。用于LED的最简单的驱动电路示于图23a。该电路包括一个dc电压源或是脉冲电压源,以及一个限流电阻R。电流i由下式确定

                                                      21

其中VDLED两端的电压(典型情况为1.52.0V)。此电压与电流和温度有关,因而由LED产生的光的强度也与电流和温度有关。对于精确的应用,流过LED的电流应该维持恒定。因此取代限流电阻的,是采用电流源,如图23b所示。此驱动器中,电流只由驱动控制电压和测量电阻R确定,因而与温度无关。

23. 用于LED驱动器的电阻(a