我們討論了惠斯通電橋拓撲結(jié)構(gòu)、激勵和校準方法，以及使用差分放大器（DAs）和儀表放大器（INAs）等構(gòu)建塊的基本信號調(diào)理技術(shù)。
　　在這一部分中，我們將擴展放大器信號調(diào)理方面的討論，討論精密應(yīng)用中的性能參數(shù)，并展示一些 INA 拓撲結(jié)構(gòu)（包括集成的應(yīng)用特定標準產(chǎn)品 ASSPs），如何在性能和尺寸方面提供優(yōu)勢。
　　如部分所示，校準偏移和增益誤差相對簡單。難以解決或成本高昂的誤差包括噪聲（如器件固有的和電源）以及溫度相關(guān)的誤差（如偏移和增益漂移）。難以估算的其他誤差來源包括數(shù)字和時鐘切換以及來自交流電源的干擾。
　　因此，具有高電源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)的零漂移放大器是優(yōu)選的。為了獲得精度和穩(wěn)健的解決方案，ASSPs 還可以校準傳感器非線性和傳感器漂移，并具備傳感器故障檢測和診斷的附加功能。
　　內(nèi)在噪聲和偏移漂移

　　在大多數(shù)應(yīng)用中，感興趣的微小信號通常頻率低于 10 kHz。傳統(tǒng)放大器的噪聲特性在從 1 kHz 到直流的頻率下會增加。這種噪聲通常被稱為 1/f 噪聲或閃爍噪聲，在尋找 Wheatstone 電橋應(yīng)用中的性能時是一個主要限制因素。圖 1 顯示了 INA 的典型噪聲性能。

　　圖 1 輸入電壓噪聲頻譜密度隨頻率變化。德州儀器

　　CMOS 零漂移儀表放大器通常具有較低的 1/f 噪聲，這在與橋式傳感器接口時可能特別有用。CMOS 零漂移放大器使用一種調(diào)制技術(shù)，可以在所有頻率范圍內(nèi)，包括 1/f 區(qū)域，提供平坦的噪聲響應(yīng)。這種調(diào)制技術(shù)還提供了更低的偏置電壓和偏置電壓漂移規(guī)范。圖 2 顯示了零漂移儀表放大器的固有噪聲性能。

　　圖 2 顯示了精密儀表放大器 INA333 的輸入電流和電壓噪聲頻譜密度與頻率的關(guān)系。資料德州儀器
　　從橋傳感器的供電電壓注入的噪聲可能會以共模噪聲的形式出現(xiàn)在傳感器的輸出端。

　　解決這種噪聲的兩種主要方法是使用高共模抑制比的儀器放大器或使用低噪聲參考電源。根據(jù)橋的激勵電壓和阻抗，設(shè)計人員應(yīng)選擇足夠電壓和負載電流的參考電源，如圖 3 所示。

　　圖 3 設(shè)計工程師可以選擇低噪聲參考作為橋的激勵電壓。德州儀器
　　共模噪聲

　　噪聲可以通過任何介質(zhì)從相鄰源耦合到輸入放大器，例如交流電源線和開關(guān)調(diào)節(jié)器。為了化這種誤差，優(yōu)選具有高共模抑制比（CMRR）的輸入放大器。在傳統(tǒng)的電壓反饋儀表放大器（INA）中，CMRR 性能直接與電阻匹配和差分增益相關(guān)。圖 4 顯示，隨著增益的減小，CMRR 性能也會降低。

　　圖 4 顯示了一種傳統(tǒng) INA 的共模抑制比（CMRR）與頻率的關(guān)系圖。資料德州儀器
　　一種電壓反饋 INA 的替代拓撲被稱為間接電流反饋（ICFB）。在這種拓撲中，共模抑制比（CMRR）取決于運算跨導(dǎo)放大器（OTA）的輸入和反饋跨導(dǎo)的匹配。OTA 的跨導(dǎo)可以比電阻更好地匹配；因此，ICFB INA 的 CMRR 比傳統(tǒng)的電壓反饋 INA 更好。

　　此外，如圖 5 所示，ICFB 拓撲的 CMRR 不依賴于增益。ICFB INA 在較低增益和較低頻率下的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的電壓反饋 INA。

　　圖 5 顯示了 ICFB INA 的 CMRR 頻率圖表。德州儀器
　　溫度變化下的增益漂移
　　在使用傳統(tǒng)電壓反饋儀表放大器(INA)的應(yīng)用中，系統(tǒng)的增益隨溫度的變化往往主要由外部增益設(shè)置電阻的溫度系數(shù)主導(dǎo)，因為這些電阻既不匹配也不與集成電阻一起漂移。

　　一種解決方案是使用可選增益 INA 或可編程增益儀表放大器(PGIA)，它們具有集成且匹配的電阻，這些電阻會一起漂移。圖 6 將傳統(tǒng)電壓反饋 INA 與外部增益設(shè)置電阻(a, 紅框)與 PGIA(b, 綠框)進行了比較。

　　圖 6 顯示了傳統(tǒng) INA 帶有外部增益電阻(a)和帶有集成增益網(wǎng)絡(luò)的 PGIA(b)。資料德州儀器

　　ICFB INAs 提供了一種替代解決方案，因為它們使用兩個外部電阻來設(shè)置增益。使用匹配的電阻對可以比傳統(tǒng)電壓反饋 INA 中的單個外部增益設(shè)置電阻獲得更好的漂移性能。圖 7 中的綠色框顯示了這兩個電阻，R1 和 R2。

　　圖 7 ICFB INA 在匹配的外部增益設(shè)置電阻 R1 和 R2 的情況下可見。德州儀器
　　非線性和診斷
　　對于需要校準傳感器非線性與輸入信號和溫度的應(yīng)用，ASSP 可能是一個不錯的選擇。ASSP 通常包含數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），可以校準偏移和增益誤差，并可能包括集成參考和溫度傳感器等功能。
　　ASSP 通常具有內(nèi)部性可編程內(nèi)存或外部電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM），用于性工廠校準或按需校準。
　　此外，一些 ASSP 具有診斷功能，例如通過監(jiān)測輸入信號共模電壓來檢測傳感器故障。如果電壓超出橋電源的固定范圍或輸入放大器的邊界圖限值，則將觸發(fā)故障模式檢測。

　　此外，如果 ASSP 和 ADC 使用不同的電源供應(yīng)，還可以將輸出電壓限制在 ADC 的輸入范圍。圖 8 顯示了具有上述功能的 ASSP。

　　圖 8 具有上述功能的用于惠斯通電橋測量的 ASSP。德州儀器

　　由于其低功耗和通過平均和噪聲整形實現(xiàn)的極低噪聲水平，Δ-Σ ADC 架構(gòu)是惠斯通電橋測量的流行選擇。此外，一些橋測量 ADC 集成了可編程增益放大器（PGA），用于應(yīng)用額外的增益并優(yōu)化穩(wěn)定時間。圖 9 顯示了這樣的 ADC。

　　圖 9 用于橋測量的 ADC 內(nèi)置了 PGA。德州儀器
　　當談到調(diào)理惠斯通電橋信號時，除了 DA 和傳統(tǒng) INA 之外，還有許多其他選擇。雖然我們已經(jīng)討論了設(shè)備固有的噪聲和橋路電源引起的噪聲，但還需要考慮精度、溫度范圍內(nèi)的性能和校準。此外，還需要考慮的因素包括功耗、設(shè)計的簡便性、靈活性、成本、尺寸以及多源需求。