測量應用中的訊號特點及訊號放大方案分析

在高性能數據採集系統設計中，人們可能很少注意到，實現性能目標的最大障礙通常出現在類比數位轉換器前的訊號輸入通道。在進入複雜的混合訊號電路前，小訊號處理電路非常關鍵。在小訊號處理電路中，由放大器帶來的噪音是不可避免的，事實上這將決定系統可能實現的最佳訊息噪音比。本文將以磅秤和溫度測量為例，討論在測試應用中如何透過高精密度放大器提高測量精密度。

測量應用實例分析

1. 磅秤應用

磅秤應用包含了從家庭到工廠車間等各種場所，其秤重範圍從小於250磅到上千噸都包括在內。磅秤的基本構造均基於薄膜金屬應變片以及精心設計的金屬桿，這些應變片連接成傳統的電橋結構以實現最大靈敏度，通常可提供1mV至4mV/V的滿計量輸出，而採用5V激勵的最大輸出訊號即為20mV。

在1盎司解析度的高性能測量條件下，要顯示多達1噸的計量，我們將需要超過30,000個計數。為了在這個解析度獲得精確的測量，需要一個可提供125倍訊號增益的放大器將A/D轉換器的20mV輸出提高到2.5V，而且迴路增益需超過30,000，以保證滿足其解析度的線性度。

2. 溫度測量

高精密度溫度測量是高解析度數據轉換器十分普通和迫切需要的另一種應用。在大多數情況下，所選用的感測器是熱電偶。K型比例係數(由一片鎳絡合金和一片鎳鋁合金接合形成)為每度大約40微伏，而S型(由鉑銠合金和鉑接合形成)的輸出大約為每度10微伏。在測量範圍內必須對非線性誤差進行校正非常重要，這使測量工作進一步複雜化。在使用熱電偶時還會遇到其他電路問題，如熱電偶的連接需要保護電路等。

在整個測量範圍內，熱電偶的輸出通常可以達到20mV到50mV，或更高。在使用K型接點的情況下，在1,000度範圍內獲得0.1度解析度的測量精密度(或10,000個計數)，使滿計量測量等於40mV似乎是簡潔的方法。其他誤差包括運算放大器的輸入漂移和0.25至0.5度的熱電偶非線性誤差。

3. 非接觸溫度測量

熱電堆(thermopile)是熱電偶的一種，它由若干薄膜熱電偶接點層組成一個感測器堆，其每個金屬接線對都是由一個隱藏的‘冷’邊和一個暴露在入射光的‘熱’邊組成。它可用來進行雷射功率、熱和火焰檢測測量。滿計量輸出通常不到1毫伏，10萬分之一滿計量的測量光輸出相當於不到10毫微伏。對於這種應用，找到一個低成本、高增益、低噪音和低漂移放大器將是很大的挑戰。

測量誤差

典型的AD轉換器結構圖如圖1所示，主要的誤差影響因素包括參考電壓誤差、放大器誤差、感測器誤差以及噪音對測量精密度的影響。瞭解這些誤差有助於設計工程師更好地應對提高測量精密度的設計挑戰。

圖1：標準A/D轉換器結構圖

1. 參考電壓誤差

由於參考電壓是用來與實際測量值進行比較，因此這個參考電壓的實際值非常重要，需對參考電壓進行週期性校準或軟體校準以修正這個基本測量誤差。而且，精心設計參考電壓可大幅減少由溫度造成的漂移。在超過0℃至40℃的條件下，一個100ppm/℃溫度係數的誤差可能是4,000ppm，或滿計量範圍的0.4%。我們能夠利用軟體修正這個誤差，不過它將直接降低有效範圍。

2. 放大器誤差

由輸入放大器直接強加在輸入訊號上的誤差會影響測量精密度。以測壓力元件為例，一個20mV的滿計量訊號將會有5%偏移，即1mV輸入偏置電壓。這個輸入偏置誤差可直接降低測量精密度，用足夠動態範圍的A/D轉換器就可能利用軟體消除這個誤差。這個誤差也具備一種與溫度有關的成分，稱為輸入偏置漂移，必須認真考慮並進行修正。偏置電流也稱為輸入漏電流，它能在高阻抗感測器或感測器接腳或感測器與放大器輸入之間的任何阻抗上造成直接電壓偏置誤差。例如，如果輸入偏置電流為0.1微安，在10歐姆電阻上的電壓降就將產生1微伏的誤差。

3. 感測器誤差

修正感測器誤差可能很困難。以測壓力元件為例，雖然在生產過程中進行了仔細的線性校準，但應用中不同設備間輸出比例係數的變化仍高達25%。在上述的秤重實例中，參考電壓通常由測壓元件的激勵產生，並產生一種比例式測量(ratiometric measurement)方法，該方法可消除漂移誤差。偏置電流與橋接電流量的比可直接影響測量的精密度。熱電偶中的阻抗、熱電堆保護和補償電路使輸入漏電流變得尤其重要。

4. 噪音對高解析度測量的影響

噪音有許多來源，而且通常是整個系統性能的決定性因素。來自外部的噪音更難控制，包括來自附近的高速數位邏輯電路、電源、風扇電機、電磁閥和射頻EMI的耦合噪音，透過小心的接地設計、屏蔽技術和電路板佈局等，對於實現預期精密度非常關鍵。選擇一個導入噪音最小、具有消除外部導入誤差並具有足夠增益頻寬的緩衝放大器，與上述減少任何輸入誤差的方法同樣重要。

可根據導入的噪音大小評價高精密度放大器，在該測量對一項特定應用的重要性時，其噪音量通常是根據對不受限制頻寬(寬頻帶)訊號的測量值來確定的，或是在確定的頻寬上得到的值。噪音規格通常作為輸入參考噪音，它是在輸出與輸入短路條件下測量得出的值，因此完全是放大器本身產生的噪音。

使用A/D轉換器時，背景噪音是可用測量精密度的決定性因素。當一個元件的額定解析度為24位元時，由於噪音導致的侷限性，通常轉換器實現的實際精密度更低。以放大器規格為例，製造商是根據噪音電平、極低噪音或有效位元(解析度，也稱為ENOB)來確定其產品。事實上，有效位元規格是由噪音電平RMS值計算出的，極低噪音值則是基於峰值-峰值，通常相當於統計RMS值的6.6倍。因此，極低噪音規格表示了轉換器的有效解析度，在背景噪音以上，LSB位元依然保持穩定。由於這個值基於輸入範圍與測量得到的噪音比，因此需特別注意規格中的限制條件，如參考電壓和輸入範圍可能因應用不同而異，數據手冊上所承諾的與實際比值可能有相當大的差異。

放大器解決方案

我們已經瞭解到許多應用需要優異性能，放大器就是一種可有效修正自身誤差的低成本元件，同時也能保證高增益配置的穩定性。截波放大器是一種典型的可自修正放大器。目前良好的截波放大器能輕易實現幾微伏的初始偏置誤差及低漂移。不過，像任何放大器設計一樣，要同時實現低噪音和高增益具有相當大的挑戰性。如上述的秤重例子，其訊號增益需保持100,000個測量計數的精密度。這相當於至少需要1,250萬的增益，最少也要142dB增益。而噪音使得在高增益電路中要實現這麼高的增益更加困難。

簡言之，對這些應用來說，一個放大器的噪音水準需與其他誤差達到同樣範圍。所有的半導體放大器都會有1/f噪音，也稱為閃爍噪音(flicker noise)，它是由材料產生的基本現象。與頻率相反，在一個特定噪音拐點以下，噪音密度將呈指數增加，而且在低頻時變得非常大。在200Hz的典型訊號頻寬內，一個能在20毫伏滿計量訊號時保持18位元解析度的放大器需有10nV/rt-Hz左右的噪音密度。很少有放大器能低成本地以單晶片實現這種低噪音和高增益的組合特性。

要實現這樣的性能水準，設計師通常可設計混合的多放大器系統。這個系統採用一種具有高輸入阻抗、輸入糾錯電路和第二個(或第三個)補償放大器的輸入放大器組合，以實現所需的增益。這些電路既昂貴又難以實現。集中於一個參數的放大器經常在其他方面帶來嚴重問題，如JFET輸入放大器就是因高輸入偏置誤差而著稱。分離式截波放大器電路也已經實現，但具有高複雜性和高成本。Cirrus Logic公司推出的CS3000系列放大器實現了良好的噪音性能。當截波做得很好時，特別有利於降低低頻應用中的1/f噪音，CS3000電路可消除輸入偏置誤差，執行於相當高的時脈速率。

利用多個內部增益級和細微最佳化的補償，CS3000系列放大器可提供良好開環增益，以及達2MHz的調整增益頻寬。不過，這些元件為低於2kHz的訊號進行了內部最佳化，可大幅減少功耗，在高於50V/V的增益配置時，需進行外部補償。值得注意的是，高開環增益可實現兩個目標：1. 感測器增益要求獲得微小的感測器訊號，該訊號能被A/D轉換器精確地測量到；2. 其餘的增益需保持動態精密度。

圖2是一個熱電堆應用實例。

圖2：熱電堆放大器實例

當暴露在高紅外輻射時，這個元件可輸出幾毫伏的滿電壓。在這個電路中CS3001所提供的增益是650V/V(56dB)，結果可產生約1.5V的滿訊號，有超過140dB(最小)的增益裕量以保證線性誤差。如此A/D轉換器的測量精密度將可超過17位元。

作者：Richard Wegner