基于电阻的电桥电路广泛用于从测量物理变量(如压力和力)的传感器提供电输出。这些输出通常很小，因此需要放大以使其达到测量和控制系统中A/D转换器所需的电平。本文以压力测量为例，介绍了一种具有极低漂移和许多有用特性的多功能新型IC仪表放大器，并讨论了它在解决桥梁仪表问题中的作用。

压力传感

图1说明了一个典型的电输出压力仪表的功能。压力是通过机械元件的运动来感知的，如隔膜、波登管、波纹管和胶囊，当施加压力时，所有这些元件都会偏转。这种挠度引起应变片电阻的变化。

最流行的压力传感器使用惠斯通电阻桥配置的应变片，其中所有四个元件都是可变的，如图2d所示，从而提供最佳的线性度和灵敏度。当压力施加到隔膜上时，桥架的两个压力表元件受到张力;另外两个元素受到压缩。电阻的相应变化是入射压力的量度。电桥被恒定的电压或电流激发，产生电信号。

在压力表压力传感器技术的一种形式中，应变片元件连接到金属膜片上，并产生全尺寸电阻变化，通常为基准电阻的0.1%。当一个恒定的电压或电流施加到电桥上时，电阻在该范围内的变化会产生线性不平衡，这被测量为差分电压(或电流)。在另一种技术中，将半导体应变片连接到硅膜片上，可以产生更大的响应——在许多情况下，大约是基极电阻的1%。

信号调节

电桥产生的信号通常很小，并且受噪声、偏移和增益误差的影响。在桥输出可以数字化之前，必须对其进行放大，调整偏移量以匹配A/D转换器的跨度，并进行滤波以去除噪声。尽管图3所示的信号调理模块可以使用运算放大器和分立电路元件来构建，但事实证明，仪表放大器可以节省零件成本、电路板面积和工程设计时间。

在典型的压力传感器应用中，电阻桥输出一个差分信号，其跨度为数十或数百毫伏，与施加的压力和施加在桥上的激励电压成正比。例如，霍尼韦尔26PC01SMT系列微结构压力传感器具有±1.0 psi的满量程。在施加5 V电压时，它的零压零偏置为±2 mV，满量程输出范围为±14.7 mV至±18.7 mV，共模电平为2.5 V。为了在存在高共模电压的情况下准确地解决这个小差分输出电压，仪表放大器抑制共模信号的能力是必不可少的。例如，12位读出分辨率要求LSB小于10µV (35 mV/4096)，或比共模电平低约101 dB。

手动电桥补偿

压力传感器中的惠斯通桥通常是手动补偿的，以消除其偏移和跨度误差。这要求仪器制造过程包括修剪偏移，偏移温度漂移，跨度和跨度温度漂移的步骤。图4显示了一个电桥，其中添加了电阻来补偿这些误差。消除这些错误既耗时又昂贵。另外，可以通过将来自D/ a转换器的可编程直流电压施加到仪表放大器的参考引脚来调节偏移量。由于偏移量会降低ADC的可用动态范围，因此需要进行偏移校正。

压力传感器的增益不确定性使得大多数基于仪表放大器的系统都需要进行增益调整。这通常是通过与仪表放大器的外部增益电阻串联增加一个微调电位器来完成的。为了在更宽的温度范围内实现更高水平的性能，系统设计人员转向软件控制增益补偿。

仪表放大器误差

图5显示了当传感器连接到信号调理电路时发生的一些典型误差源。桥式放大器的偏置电流流过桥式放大器的输出电阻。电阻或偏置电流的任何不平衡都会产生偏置误差。这个误差乘以增益，出现在输出端。此外，偏置电压和偏置电流是温度的函数。其他需要考虑的重要误差是放大器的增益精度、非线性和噪声。桥式测量应用需要具有低输入偏置电压、偏置电流、偏置电压TC和偏置电流TC的高性能放大器。

AD8555的救命稻草

使用桥接电路(如压力传感器)的测量系统设计将受益于AD8555，一种来自Devices的新型零漂移数字可编程放大器。其仪表放大器配置采用三个自动归零放大器(A1, A2, A3)，如图6所示。

为了避免传感器桥接过长，差分输入在两端(V(POS)和V(NEG))都具有高阻抗和低偏置电流。自动归零技术通过连续校正放大器产生的直流误差来最小化偏移和偏移漂移。在- 40°C至+125°C的温度范围内，最大输入偏置电压为10µV，最大漂移仅为65 nV/°C。

增益范围从70到1280，通过单线串行接口，通过单独调整两个阶段的增益，以小于1的步长(分辨率优于0.4%)编程。在DigiTrim 工艺中，通过吹多晶硅(1)保险丝来锁定增益设置。第一阶段的增益从4.00削减到6.40在128步通过一个7位的代码，调整P1和P2;第二级增益由8步3位码调整P3和P4从17.5到200设置。调整值可以临时编程，评估和重新调整，以获得最佳校准精度-在设置永久固定之前。

AD8555还具有8位DAC可编程偏置，可用于补偿输入信号中的偏置误差和/或为输出信号添加固定偏置。例如，这种偏置用于处理单电源环境中的双极差分信号。输出偏置电压可以设置为电源轨电压差的0.39% (V(DD) - V(SS))的分辨率。

和

在哪里

增益= (1(st)级增益)× (2(nd)级增益)

V(diff)是要测量的差分输入电压

N(DAC码)是DAC输入码的数值。

像增益一样，输出偏置可以临时编程、评估和重新调整;然后可以通过吹断保险丝永久固定。

单电源操作已成为现代传感器放大器越来越理想的特性。今天的许多数据采集系统都是由单个低压电源供电的。AD8555的工作电压范围为2.7 V至5.5 V。放大器A4的输出摆动到7毫伏以内的任何供电轨道。

AD8555放大器的故障检测可以防止开路、短路和浮动输入。这些情况中的任何一种都会触发一个电路，使输出电压被箝位到负电源轨(V(SS))。在V(CLAMP)输入上也检测到短路和浮动条件。使用外部电容，AD8555可以实现低通滤波器，以限制其dc至400 khz的输出频率范围。

AD8555在传感器桥信号调理中的作用

系统工程师希望所有具有相同部件号的压力传感器表现出几乎相同的性能。通常，现成的传感器不能以足够的精度满足这些要求。实现传感器之间一致性的一种方法是在制造过程中进行广泛的修剪。如果这些传感器的行为在温度下是可重复的，一个更好的方法可能是使用新一代可编程放大器来提供补偿。

AD8555，其零漂移仪表放大器，可以提供放大，增益设置和微调，偏移设置和微调，和箝位-所有建立数字。它可以用来补偿桥式传感器的偏移和增益误差，以及提供传感器故障的指示。它可以使用软件进行调整，使补偿使用微调电位器在制造环境中过时的艺术。在恶劣和拥挤的环境中使用传感器的许多情况下，测量受益于AD8555的宽温度范围和节省空间的封装尺寸，它被封装在一个4mm × 4mm的引线框架芯片级封装(LFCSP)中。由于AD8555能够驱动非常大的容性负载，因此可以将其放置在靠近传感器的位置，并远离信号处理电路。其高水平的编程灵活性和直流精度区别于所有其他解决方案。

应用实例

在给定的一批压力传感器中，传感器之间的变化会导致传感器满量程输出的20%的失调电压。传感器对传感器的增益几乎可以变化2到1。下面的示例展示了如何使用AD8555来补偿偏置和增益变化，同时最大化提供给A/D转换器的信号的动态范围。图7显示了应用电路，包括桥接电路、AD8555和AD7476 A/D转换器。

传感器的特点

26PC01SMT(表面贴装技术)压力传感器是一款基于惠斯通电桥的印刷电路板安装设备，与AD8555一起，似乎可以在很小的占地面积内提供完整的可编程压力测量和调节。根据10 V和25°C时的数据表规格，这些是具有5 V源的预期传感器特性:

放大器的特点

信号调理电路也引入误差，其表现为偏移。AD8555的误差贡献如下表所示。

条件:R(电桥)= 2500欧姆，满量程=±16.7 mV, A(V) = 150, V(OFF) = 2.5 V, V(OUT) = 0 V至5v

该表显示，主要的误差源是出现在AD8555输入端的静态误差。这些将与传感器的相应变化一起被修剪掉。由电流噪声、增益漂移和偏置漂移引起的误差最小，可以忽略。剩余的误差是噪声和增益非线性，无法被消除。

因为噪声限制了传感器信号的放大精度，所以低电平信号的高分辨率测量需要一个低噪声、低漂移的放大器。AD8555在1khz时的电压噪声密度底限为32 nV/rt/Hz。直流至10hz范围内的噪声峰值为0.7µV。

桥、AD8555和A/D转换器都由+ 5v电源激发。桥的满量程输出跨度将在±14.7 mV到±18.7 mV范围内的任何地方。它的偏移量在- 2mv和+ 2mv之间。匹配A/D转换器的5 v满量程输入量程需要从134到170的增益设置。与偏移设置为2.5 V，放大器输出范围将从0 V到5 V的压力变化在-1 psi和+1 psi之间。

首先将增益设置为134 -该传感器所需的最小值。与0-psi输入，调整偏移，直到放大器输出在2.5 V。这补偿了传感器和放大器误差项的零偏移。应用1 psi输入，并调整增益，使放大器输出电压为5 V - 1 LSB。输出偏置是增益的函数，所以偏置和增益的调整必须迭代完成。作为一种替代方法，可以在测量输出跨度后计算所需的增益。在增益设置后调整偏移量，因此只需要调整一次。

结论

AD8555通过集成具有可编程增益、可编程输出偏置、故障检测、输出箝位和低通滤波的零漂移仪表放大器，简化了桥式测量系统的设计，从而在传感器和a /D转换器之间提供完整的信号调理路径。包含样品件和评估软件和硬件的评估工具包可从设备处获得。

附录

(1)多晶硅熔断器使用多晶硅熔断器的一个优点是其在温度下的可靠性能，这是汽车应用的一个要求。一旦用户对偏移和增益设置满意，则通过吹断主保险丝将微调电路锁定，以防止任何意外的重新微调。