让制造商和工程师了解用于准确捕获 IoT 数据的仪表放大器

物联网 (IoT) 和智能家居的实现首先离不开感应，而它也是发烧友、制造商，甚至是专业设计师面临的首个难题。很多价格相对低廉的传感器，比如加速计、力传感器、应变计和压力变送器，都围绕电阻式惠斯通电桥而设计，因此，它们以毫伏 (mV) 级输出差分电压。

在进一步继续之前，需要准确捕获并放大这些低电平信号，使它们达到与微处理器模数转换器 (ADC) 兼容的电平而不造成直流偏移和噪声。同样地，使用高压侧分流器进行电流检测，需要没有接地参考输入且能够承受较大共模电压的放大器。

为确保捕获的数据准确，制造商和发烧友需要熟悉仪表放大器 (INA)。INA 是平衡差分放大器，具有可轻松控制的增益、较小的失调漂移和消噪属性。它在家居控制应用中与低成本变送器相辅相成。同时，由于 INA 具有两个不以地为基准的高阻抗输入，因此也适用于各种类型的浮动差分测量。

本文将介绍传感器-处理器信号链，以及放大器阶段对共模抑制、准确性和稳定性的需求。另外还将介绍特定传感器和 INA 及其使用方法。

压阻式变送器

使用压阻式元件的变送器是最热门的传感器系列之一。它们可用于测量应力、作用力、加速度和压力等等。

尺寸较小的压阻式元件与变送器的机械元件相连。这些元件可以是条形、板形、弹簧状，或者是膜片状。感应到的预期参数导致机械结构变形。压阻式元件会经受应力，该应力与改变元件电阻的感应参数成正比。

压敏电阻器元件的电阻通常是惠斯通电桥电路配置的一部分（图 1）。如果电桥的输入电压固定且四个电阻的值全部相同，则该电桥达到所谓的平衡，输出电压 V_OUT 为零。

图 1：在惠斯通电桥中，变送器通常属于四个电阻元件之一。随着电阻因压力或其他作用力发生变化，输出电压也会成比例变化。（图片来源：Digi-Key Electronics）

图 1 中的 R4 代表变送器。压力或其他被测参数的变化导致机械结构和电阻经受应变，从而改变压敏电阻器的电阻。这将导致变送器的电阻偏离其标称值，根据所施加的压力成比例发生变化。而电桥的输出电压 V_OUT 与电阻的变化成正比，因而也与传感器元件的压力成正比。

需要注意的是，V_OUT 标称值为 V_IN 的一半。此电压为共模信号电压。对于满量程电压范围为 50 mV 的变送器而言，1% 的电压增量等于 0.5 mV。如果它处于 2 V 的共模电平，共模抑制比 (CMRR) 需要为 72 dB 才能解决电压变化问题。

NXP Semiconductors 型号为 MPX2050DP 的 50 kPascal (7.5 psi) 双端口压力变送器，可提供 40 mV 满量程输出信号电平（图 2）。双端口配置可用于测量压差或表压（参考大气压）。

图 2：NXP Semiconductors 型号为 MPX2050DP 的 7.5 psi 压阻式双端口压力变送器，满量程输出信号电平为 40 mV。（图片来源：NXP Semiconductors）

商用变送器结合使用温度补偿网络，以确保变送器仅响应预期参数，而不响应变送器环境的变化。

TE Connectivity 型号为 FX1901-0001-0050-L 的产品是一款压阻式压缩力传感器，具有 22.68 kgf (50 lbf) 的量程。该传感器测量压缩力而非压力，但它使用类似的惠斯通电桥测量拓扑作为压力变送器。它具有 20 mV/V 的灵敏度，因此，当电源电压为 5 V 时，满量程负载灵敏度为 100 mV。

这些变送器之间的共同特点是差分输出电平在毫伏范围内，需要放大后才能用于 ADC。此时，仪表放大器 (INA) 派上用场。

仪表放大器 (INA)

INA 是基于运算放大器技术的一种差分放大器，具有差分输入和单端输出。该放大器是差分放大器，因此能够衰减共模信号，而衰减的程度即为前文提及的 CMRR 规格。因此，INA 很适合在存在较大共模信号或偏移时，将小信号放大。此外，INA 的特征还包括，稳定、准确并可轻松调整的增益、高输入阻抗和低输出阻抗。

INA 有两种常见的电路拓扑结构可用。最常见的是图 3 中所示的三重运算放大器设计。在此电路配置中，放大器 U1 和 U2 是非逆变输入缓冲器。它们的输出将馈送给差分放大器 U3。INA 的增益主要通过电阻 R_G 设置。参考输入通常在不用时接地，控制着输出失调电压电平。检测输入可用于改变输出差分放大器的增益。不用时，它会与差分级的输出关联。

图 3：INA 三重运算放大器配置的交流 CMRR 通常高于双重运算放大器配置。增益由 R_G 确定。（图片来源：Digi-Key Electronics）

使用双重运算放大器拓扑结构可减少所需的运算放大器数量（图 4）。

图 4：INA 双重运算放大器配置可节省成本和功耗。（图片来源：Digi-Key Electronics）

此电路拓扑结构仅使用两个运算放大器，可节省成本和功耗。双重运算放大器电路的非对称配置可能会造成多个问题，从而限制电路的有效性。最主要的是，与三重运算放大器设计相比，它可能会降低交流 CMRR。

集成式 INA

Texas Instruments 型号为 INA333AIDRGT 的产品是基于三重运算放大器配置的 INA 示例。它提供零漂移电路，可实现出色的直流规格。可以通过单一外部电阻器将增益设置为 1 到 10,000。当增益大于 100 时，其 CMRR 为 100 dB。该产品专为 3.3 V 到 5 V 的工业应用而设计。其带宽取决于增益，单位增益下，最大带宽为 150 kHz。

相比之下，Texas Instruments 的 INA332AIDGKR 是一款宽带 INA，基于改良的双重运算放大器模型，具有一个额外的增益级。通过改变单一外部电阻器的值，其增益在 5 到 1,000 的范围内可调。CMRR 通常为 73 dB。它的带宽明显更宽，达到 2 MHz。

将 INA 集成到单片集成电路中，可以精确匹配有源和无源元器件，从而保证更好的增益和 CMRR 控制（图 5）。

图 5：Texas Instruments INA333 和 INA332 仪表放大器的简化示意图对比，展示 INA 三重和双重运算放大器拓扑结构的商业实施模式。（图片来源：Texas Instruments）

图 6 中 Texas Instruments INA333 的参考设计显示，使用仪表放大器支持惠斯通电桥变送器非常简单。该设计将 120 Ω 的应变计用作有源变送器元件。此电路可应用于任何类型的惠斯通电桥变送器，并能通过 TINA TI SPICE 仿真器进行模拟。

图 6：通过 Texas Instruments INA333 进行应变计放大器 TINA TI 仿真，结果显示，应变计 (R_sg) 的标称电阻为 120 Ω，R_sg 摆幅为 10 Ω 时，读数范围为 4.47 V。（图片来源：Digi-Key Electronics）

图中的应变计 R_sg 具有 120 Ω 的标称电阻，可能会在 115 Ω 与 125 Ω 之间变动。目标在于将此变动应用至具有 0 到 5 V 输入范围的 ADC。

为此，放大器增益设置为 1,001，参考电压为 2.5 V。直流转换特性将 INA 的输出电压绘制为应变计电阻变化的函数。仿真中的光标读数显示，应变计电阻摆幅为 10 Ω 时输出范围为 4.47 V。

高压侧电流检测

使用低值电阻分流是测量电流的最常用方法之一。对于通过几个放大器进行的电源测量，一个约为 10 毫欧 (mΩ) 的电阻器产生的压降为每个放大器 10 mV（图 7）。

图 7：将 INA 应用于高压侧电流检测，其中分流电阻器 (R_SENSE) 位于 INA 电压源和负载之间。（图片来源：Digi-Key Electronics）

如果分流电阻器置于负载与接地之间，则称为低压侧电流检测。将检测电阻置于电源和负载之间则称为高压侧电流检测。高压侧检测具有消除接地干扰的优点。它还可用于检测负载接地故障。

进行高压侧电流检测时，需要认真研究应用于仪表放大器的共模电压，这一点稍后将讨论。

如果 R_SENSE 为 10 mΩ，则 5 A 的电流摆动将在电阻器中产生 50 mV 的电压。将 INA 的增益调整到 100 将造成 5 V 的输出摆动。

避免常见 INA 问题

如前所述，仔细考虑 INA 的共模电压范围很重要。以图 6 中的应变计测量为例。INA 由单一 5 V 电源供电以简化配电。如果按双电源供电的常见情况将参考输入接地，则输出摆动集中在 0 V 左右。由于两个 INA 输入都接近 2.3 V，其输出将接近 0 V，且无法在 0 V 基准以下摆动。将检测输入提高到 2.5 V 可将输出电压集中到 2.5 V 左右，允许其上下摆动。

另外，还要务必确保内部缓冲放大器在高增益工作时不会饱和。考虑一下 INA 输入为 5 mV 且增益为 1,000 时，会发生什么。在此情况下，输入缓冲的输出间存在 5 V 的差异。如果 INA 在 5 V 电源下操作，则其中一个缓冲将处于饱和状态。幸运的是，Texas Instruments 等 INA 供应商提供特定应用程序（“仪表放大器的 V_CM 与 V_OUT”）来检查其仪表放大器的共模范围。

最后还要注意 INA 输入的接地回路。如果输入为 AC 耦合或者连接到热电偶等浮动装置，则应将高值电阻器从输入连接到地面，以释放放大器的输入偏置电流。

总结

在实施设计的过程中，发烧友和专业工程师很快发现，将传感器连接到 IoT 首先需要非常了解如何获取并放大惠斯通电桥发出的低电平信号，然后再用 ADC 将其转换为数字域。

INA 非常适用于放大差分信号。它们提供高增益、高共模抑制和高输入阻抗。由于它们有各种各样的配置，务必了解其工作原理、关键规格及使用注意事项。