智能傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域中。例如，它在機器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景，智能傳感器使機器人具有類人的五官和大腦功能，可感知各種現(xiàn)象，完成各種動作。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用傳統(tǒng)的傳感器無法對某些產(chǎn)品質(zhì)量指標（例如，黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等）進行快速直接測量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測量與產(chǎn)品質(zhì)量指標有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過程中的某些量（如溫度、壓力、流量等）。Cygnus公司生產(chǎn)了一種"葡萄糖手表",其外觀像普通手表一樣，戴上它就能實現(xiàn)無疼、無血、連續(xù)的血糖測試。"葡萄糖手表"上有一塊涂著試劑的墊子，當墊子與皮膚接觸時，葡萄糖分子就被吸附到墊子上，并與試劑發(fā)生電化學反應(yīng)，產(chǎn)生電流。傳感器測量該電流，經(jīng)處理器計算出與該電流對應(yīng)的血糖濃度，并以數(shù)字量顯示。

　　因此，模擬傳感器接口變得非常重要，必須在抵？這些環(huán)境效應(yīng)的同時遵守嚴格的規(guī)范要求。為實現(xiàn)成功商用，傳感器必須具有低成本、小體積以及低電流（針對電池供電的測量設(shè)備）特性。

　　系統(tǒng)設(shè)計師喜歡將模擬鏈路設(shè)計得盡可能短，希望以此來提高信號抗外部噪聲的能力（數(shù)字電路通常對噪聲不敏感）。過長的模擬鏈要求在后續(xù)電路中使用特定的信號處理電路。

　　例如一級電路提供差分增益，但沒有共模抑制；另一級電路提供共模抑制，但沒有差分增益。雙路電源和高電壓軌還有助于減輕對模擬電路的信噪比要求。對更短模擬鏈以及單電源、低電壓、模擬電壓軌的要求迫使人們開發(fā)創(chuàng)新的架構(gòu)來滿足這些挑戰(zhàn)。

　　因此，在系統(tǒng)設(shè)計之初就要作出的一個決策是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和傳感器之間是否直接連接。這種直接連接在某些應(yīng)用場合具有很大的優(yōu)勢。

　　例如，高阻比例橋可以采用許多ADC中包含的基本內(nèi)部參考，而且一些現(xiàn)代ADC包含有高阻緩沖器或PGA，它們可以用來隔離傳感器信號與加載信號及ADC采樣電路引起的電流脈沖信號。

　　但另一方面也存在使用儀表放大器（IA）連接傳感器和ADC的實際例子，其原因是：

　　1. 在靠近信號源的地方將小信號放大可以改善一些應(yīng)用的總信噪比，特別是當傳感器不靠近ADC時。

　　2. 許多高性能ADC沒有高阻抗輸入端，因此需要低源阻抗放大器的驅(qū)動才能充分發(fā)揮它們的性能。在這種情況下如果沒有中間放大器，輸入電流尖峰和源阻抗失配等異常情況將帶來增益誤差。

　　3. 外部放大器能幫助用戶針對應(yīng)用優(yōu)化信號調(diào)節(jié)（濾波）。

　　4. 用于制造ADC的最佳半導體工藝并不一定是用于制造放大器的最佳工藝。

　　5. IA提供的增益使傳感器和ADC之間的接口更加容易，因為它不僅可以減輕系統(tǒng)設(shè)計壓力，還能降低總體系統(tǒng)成本。例如，讀取一個無增益的傳感器信號比讀取放大的傳感器信號需要更高的分辨率和昂貴的ADC。

　　低偏移儀表放大器的好處

　　當使用IA讀取傳感器信號時經(jīng)常會遇到各種直流誤差問題，主要根源是輸入電壓偏移效應(yīng)。事實上，引起直流誤差的其它每個根源都是根據(jù)輸入偏移電壓進行建模的，其中直流CMRR代表直流輸入偏移電壓隨輸入共模電壓的變化，直流PSRR代表直流輸入偏移電壓隨電源電壓變化而發(fā)生的改變。

　　也許引起直流誤差的最重要根源是噪聲，而噪聲是半導體芯片設(shè)計和工藝中所固有的。因為大多數(shù)傳感器信號被高增益模塊所放大，以輸入信號為參考的噪聲也被放大同樣的增益。噪聲有兩種形式：粉色噪聲（也稱為1/f或閃爍噪聲）和白色噪聲。粉色噪聲在低頻段（小于100Hz左右）更重要，白色噪聲一般決定了信號帶寬更高的芯片性能。

　　高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出在 “低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。

　　粉色噪聲是由于半導體表面上的缺陷點處發(fā)生的重組效應(yīng)引起的。因此與雙極器件產(chǎn)生的噪聲相比，CMOS器件的噪聲具有更大的幅度和更高的角頻率。（噪聲角頻率是指粉色噪聲密度與白色噪聲密度相等時的頻率）

　　大多數(shù)傳感器選用高阻抗輸入，這迫使IA采用CMOS前端，從而使設(shè)計師必須面對隨之而來的更高低頻噪聲電平。幸運的是，能夠連續(xù)補償輸入偏移電壓的零漂移電路設(shè)計技術(shù)可以用來消除低頻輸入粉色噪聲。

流行的新架構(gòu)

　　傳統(tǒng)IA使用三個運放搭建成一個輸入緩沖級和一個輸出級電路（圖1）。輸入緩沖級電路提供全部差分增益、單位共模增益和高阻抗輸入，差分放大器輸出級提供共模增益為零的單位差分增益。這種IA可以用于許多場合，但它的簡單性掩蓋了兩個重要的缺點：可用的輸入共模電壓范圍有限，交流CMRR也有限。

　　在傳統(tǒng)的三運放儀表放大器中，輸入緩沖級電路提供了所有的差分增益、單位共模增益和高阻抗輸入。

　　基于三個運放架構(gòu)的IA僅具有有限的傳輸特性（圖2）。在輸入共模和輸入差分電壓的某種組合條件下，這種架構(gòu)中的緩沖放大器A1和A2的輸出很容易達到電源電壓軌而飽和。在這種狀況下，IA將無法抑制輸入共模電壓。

　　儀表放大器在不同共模電壓處的有限傳輸特性（在高增益處眼圖有所壓縮）。

　　因此，大多數(shù)三運放IA的數(shù)據(jù)手冊都給出了可用的輸入共模電壓對輸出電壓的曲線圖。因為輸出電壓只是按比例縮放的輸入差分電壓，因此這種圖中的兩個軸也可標記為“輸入共模電壓對輸入差分電壓”。六邊形內(nèi)的灰色區(qū)域代表了“有效”工作區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)放大器A1和A2的輸出不會飽和至電源電壓軌。

　　請注意，圖2所示的圖形對單電源應(yīng)用有重要的含義。共模電壓很容易接近電路地電平，這是灰色區(qū)域不能延伸到的地方！因此某些應(yīng)用（如低邊電流檢測）不能使用傳統(tǒng)的三運放IA，因為它們的輸入共模電壓等于地電平。

　　三運放IA可以通過匹配差分放大器周圍的片內(nèi)電阻而獲得較高的共模抑制性能，但這種IA的反饋架構(gòu)將大大降低交流CMRR。為克服這些缺點，業(yè)界開發(fā)出另一種IA架構(gòu)，例如2gm間接電流反饋方法（圖3）。