CN101820256A - 传感器信号放大调理电路 - Google Patents

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周敬训
王智
郑金荣
常军
沈蓉蓉
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Abstract

一种传感器信号放大调理电路，包括仪表放大器、同相比例放大器及电压跟随器；所述仪表放大器的输入端接差分输入信号，所述电压跟随器把参考电压输入到所述仪表放大器的参考电压端，所述仪表放大器的输出信号接入同相比例放大器的同相输入端，所述同相比例放大器的反相输入端作为增益调整端，所述同相比例放大器的输出端作为整个传感器信号放大调理电路的输出端。本发明用于对传感器送来的差分小信号的放大，并将差分信号转换为对参考端的单端信号输出。可以通过设置外接电阻来实现零点和增益的调整，扩大了应用范围，并通过电压跟随器，完成阻抗匹配。

Description

传感器信号放大调理电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别涉及集成传感器信号放大调理电路。
背景技术
传感器的输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。仪表放大器由于能够对很微弱的差分电压信号进行放大，并且具有很高的输入阻抗，因此广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口、热电偶温度检测和各种低边、高边电流检测中。然而，现有的仪表放大器的增益电阻要么设置于内部为固定值，不能灵活地调节增益，存在较大的局限性；若是为了方便调节而将增益电阻设置于外部，在工艺上与内部电阻存在差异，其温度系数不能具有良好的一致性。而且现有的仪表放大器虽然有用参考电压输入端实现零点调节功能，但不能直接用外接电阻分压方式的简单电路实现。
发明的内容
针对上述问题，申请人提供一种传感器信号放大调理电路，可以通过设置外接电阻来实现该电路零点和增益的调整。
本发明的技术方案如下：
一种传感器信号放大调理电路，包括仪表放大器、同相比例放大器及电压跟随器；所述仪表放大器的输入端接差分输入信号，所述电压跟随器把参考电压输入到所述仪表放大器的参考电压端，所述仪表放大器的输出信号接入同相比例放大器的同相输入端，所述同相比例放大器的反相输入端作为增益调整端，所述同相比例放大器的输出端作为整个传感器信号放大调理电路的输出端。
所述仪表放大器为三运放仪表放大器。其具体结构如下：
由第一运放A1、第二运放A2、第三运放A3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6及增益电阻RG构成；第一运放A1的同相输入端和第二运放A2的同相输入端分别作为第一差分信号输入端IN-和第二差分信号输入端IN+，第三运放A3的输出端作为三运放仪表放大器的输出端；增益电阻RG连接在第一运放A1的反相输入端和第二运放A2的反相输入端之间，第五电阻R5连接在第一运放A1的输出端和其反相输入端之间，第六电阻R6连接在第二运放A2的输出端和其反相输入端之间，第一电阻R1连接在第一运放A1的输出端和第三运放A3的反相输入端之间，第三电阻R3连接在第二运放A2的输出端和第三运放A3的同相输入端之间，第二电阻R2连接在第三运放A3的输出端和其反相输入端之间，第四电阻R4的一端连接第三运放A3的同相输入端，第四电阻R4的另一端作为三运放仪表放大器的参考电压端。
所述增益电阻RG集成在所述三运放仪表放大器的内部。
本发明的有益技术效果是：
本发明用于对传感器送来的差分小信号的放大，并将差分信号转换为对参考端的单端信号输出。如此可以通过设置外接电阻来实现零点和增益的调整，扩大了应用范围，并通过电压跟随器，完成阻抗匹配。本发明通过廉价的电子元器件就可以得到高精度应用的传感器信号放大专用集成电路，成本低廉。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
图2是本发明的典型应用电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，本发明由两级放大单元组成，其中第一级放大单元是一个仪表放大器，在本实施例中该仪表放大器是三运放仪表放大器，其由第一运放A1、第二运放A2、第三运放A3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6及增益电阻RG构成。
见图1，其中第一运放A1的同相输入端和第二运放A2的同相输入端分别作为本发明的第一差分信号输入端IN-和第二差分信号输入端IN+，第三运放A3的输出端作为整个三运放仪表放大器的输出端。增益电阻RG连接第一运放A1的反相输入端和第二运放A2的反相输入端之间，第五电阻R5连接在第一运放A1的输出端和其反相输入端之间，第六电阻R6连接在第二运放A2的输出端和其反相输入端之间，第一电阻R1连接在第一运放A1的输出端和第三运放A3的反相输入端之间，第三电阻R3连接在第二运放A2的输出端和第三运放A3的同相输入端之间，第二电阻R2连接在第三运放A3的输出端和其反相输入端之间，第四电阻R4的一端连接第三运放A3的同相输入端，第四电阻R4的另一端作为三运放仪表放大器的参考电压端。
增益电阻RG集成在三运放仪表放大器的内部。由于采用相同工艺，增益电阻RG和第五电阻R5、第六电阻R6的温度系数等具有良好的一致性。由于采取特殊处理，避开工艺上的差异，使得第一运放A1、第二运放A2、第五电阻R5、第六电阻R6和增益电阻RG同步的跟随温度的变化而变化。能够为电路的两个输入端提供高匹配的输入阻抗，以便达到降低输入源阻抗对电路共模抑制的影响。
当R1＝R3，R2＝R4，R5＝R6，R1＝R2时，三运放仪表放大器的增益为：A1＝1+2R5/RG。
见图1，本发明的第二级放大单元为一个同相比例放大器A5，上述三运放仪表放大器的输出端(即第三运放A3的输出端)接入同相比例放大器A5的同相输入端，同相比例放大器A5的反相输入端作为本发明的增益调整端FB，同相比例放大器A5的输出端作为本发明的输出端OUT。
见图1，本发明还包括一个电压跟随器A4。电压跟随器A4的同相输入端作为本发明的参考电压端REF，电压跟随器A4把参考电压输入到所述三运放仪表放大器的参考电压端(即第四电阻R4的另一端)。
图2是本发明的典型应用电路。如图2所示，本发明OP完成芯片封装以后，共有7个外部引脚，分别为：第一差分信号输入端IN-、第二差分信号输入端IN+、输出端OUT、增益调整端FB、参考电压端REF、电源端VDD和地端GND。
见图2，在该应用电路中，前级电路形成的两个差模信号分别接入第一差分信号输入端IN-和第二差分信号输入端IN+，电源和地分别接入电源端VDD和地端GND，接电源的第七电阻R7及接地的第八电阻R8分别接入参考电压端REF，第九电阻R9连接在输出端OUT和增益调整端FB之间，接地的第十电阻R10接入增益调整端FB。
本发明加入参考电压端REF，引入了零点调节功能，可以更方便的调整传感器的零点输出。利用接电源的第七电阻R7及接地的第八电阻R8产生一个参考电压VREF＝VDD[R8/(R7+R8)]，再利用电压跟随器A4把电压输入到三运放仪表放大器的参考电压端。调节第七电阻R7及第八电阻R8，就可以直接改变参考电压VREF，调整传感器的零点输出。
本发明加入增益调整端FB，引入了增益调整功能，从而使得增益电阻RG可以集成在三运放仪表放大器的内部。同相比例放大器A5的增益A2＝1+R9/R10。调节第九电阻R9及第十电阻R10，就可以直接改变增益A2。
综上所示，本发明的输出电压可由下式表达：
VOUT＝(V(IN+，IN-)·A1+VREF)·A2
其中：A1＝1+2R5/RG，(当R1＝R3，R2＝R4，R5＝R6，R1＝R2时)
VREF＝VDD[R8/(R7+R8)]，
A2＝1+R9/R10，
以上所述的元器件均为市售商品，实施例中的商品型号可参见下表：
          图1、图2中的主要元器件表：
  序号   元器件代号   元器件类型   元器件参数或型号
  1   A1～A5   运算放大器   ——
  2   RG   电阻   4KΩ
  3   R1   电阻   100KΩ
  4   R2   电阻   100KΩ
  5   R3   电阻   100KΩ
  6   R4   电阻   100KΩ
  7   R5   电阻   100KΩ
  8   R6   电阻   100KΩ
  9   R7   电阻   24KΩ
  10   R8   电阻   6KΩ
  序号   元器件代号   元器件类型   元器件参数或型号
  11   R9   电阻   20KΩ
  12   R10   电阻   10KΩ
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下，可以做出其他改进和变化。

Claims (4)

1.一种传感器信号放大调理电路，其特征在于：包括仪表放大器、同相比例放大器及电压跟随器；所述仪表放大器的输入端接差分输入信号，所述电压跟随器把参考电压输入到所述仪表放大器的参考电压端，所述仪表放大器的输出信号接入同相比例放大器的同相输入端，所述同相比例放大器的反相输入端作为增益调整端，所述同相比例放大器的输出端作为整个传感器信号放大调理电路的输出端。
2.根据权利要求1所述传感器信号放大调理电路，其特征在于：所述仪表放大器为三运放仪表放大器。
3.根据权利要求2所述传感器信号放大调理电路，其特征在于：所述三运放仪表放大器的具体结构如下：
由第一运放(A1)、第二运放(A2)、第三运放(A3)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)及增益电阻(RG)构成；第一运放(A1)的同相输入端和第二运放(A2)的同相输入端分别作为第一差分信号输入端(IN-)和第二差分信号输入端(IN+)，第三运放(A3)的输出端作为三运放仪表放大器的输出端；增益电阻(RG)连接在第一运放(A1)的反相输入端和第二运放(A2)的反相输入端之间，第五电阻(R5)连接在第一运放(A1)的输出端和其反相输入端之间，第六电阻(R6)连接在第二运放(A2)的输出端和其反相输入端之间，第一电阻(R1)连接在第一运放(A1)的输出端和第三运放(A3)的反相输入端之间，第三电阻(R3)连接在第二运放(A2)的输出端和第三运放(A3)的同相输入端之间，第二电阻(R2)连接在第三运放(A3)的输出端和其反相输入端之间，第四电阻(R4)的一端连接第三运放(A3)的同相输入端，第四电阻(R4)的另一端作为三运放仪表放大器的参考电压端。
4.根据权利要求3所述传感器信号放大调理电路，其特征在于：所述增益电阻(RG)集成在所述三运放仪表放大器的内部。
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