對于需要激勵以產(chǎn)生可測量輸出的有源傳感器，工程師可以轉(zhuǎn)向提供所需電流或電壓水平的各種選項。從基于運算放大器的簡單激勵電路到高度集成的多功能IC，可用選項包括來自制造商的一系列器件，包括凌力爾特公司，Microchip技術(shù)公司和德州儀器公司等。由于對物聯(lián)網(wǎng)的快速增長的興趣所推動（IoT），傳感器子系統(tǒng)構(gòu)成了許多設(shè)計的核心，這些設(shè)計預(yù)計將在薄膜電池和能量收集技術(shù)上運行多年。然而，為了進行可靠的測量，許多基于電阻的傳感器，如熱敏電阻，電阻溫度檢測器（RTD），應(yīng)變計等都需要從電流或電壓源激勵以產(chǎn)生電輸出。

激勵電流源輸出RTD的電壓與器件的電阻成正比。雖然使用高激勵電流會表明電壓輸出更大，但RTD電阻會隨著溫度從較高電流上升而增加。相反，熱敏電阻的電阻隨著溫度從類似的自熱效應(yīng)上升而下降。除了這些類型之外，其他傳感器（例如霍爾效應(yīng)傳感器）也表現(xiàn)出隨施加的激勵而顯著變化的性能特征。因此，有源傳感器通常需要在嚴格的限制范圍內(nèi)保持激勵，以確保可靠的測量和最小的非線性。

工程師可以使用可用的電流源IC（如德州儀器REF200）和基本運算放大器構(gòu)建簡單的激勵電路，例如TI OPA188（圖1）。通過這種方法，工程師可以使用由電流源IC產(chǎn)生的兩個匹配激勵源，在所需傳感器測量范圍的低端將運算放大器的輸出電壓調(diào)整為零。

圖1：基本運算放大器（如德州儀器OPA188）和電流源（如TI REF200）的組合提供了一個傳感器激勵電路，可以調(diào)節(jié)為在RTD所需比例的低端提供0 V輸出溫度傳感（由德州儀器提供）。雖然這種基本方法可以滿足各種簡單的傳感器激勵要求，但是使用單獨的源可能會使傳感器系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換路徑的設(shè)計復(fù)雜化。為了進一步簡化傳感器電路，設(shè)計人員可以將其電路配置為使用一個電壓源來傳感器和信號路徑。在采用比率測量技術(shù)的這種方法中，相同的電壓源既可用作傳感器的激勵，也可用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的參考電壓。

比率測量提供傳感器，而不是提供輸出作為絕對電壓測量值是傳感器輸出電壓和電源電壓的比值。比例方法無需外部電壓參考IC，從而降低了設(shè)計復(fù)雜性。此外，比率測量可以降低電源電壓變化的影響，這些電壓變化可能受到能量輸出波動的環(huán)境源驅(qū)動的能量收集設(shè)計的影響。實際上，對傳感器激勵和ADC使用相同的參考只是消除了功率電平的變化。

工程師可以使用高分辨率ADC（如Microchip Technology MCP3551 ADC）來應(yīng)用這種方法。 MCP3551是一款22位Σ-Δ型ADC，具有差分輸入，設(shè)計用于連接引腳VREF的外部參考電壓。在比率設(shè)計中，VREF與VDD相連，VDD也可作為電橋的激勵電壓源（圖2）。設(shè)計人員可以使用高分辨率MCP3551直接數(shù)字化傳感器輸出，無需額外的外部信號調(diào)理電路，從而最大限度地降低功耗和電路占板面積。

圖2：對于某些應(yīng)用，工程師可以使用比率測量技術(shù)簡化設(shè)計，這些技術(shù)使用相同的電壓源進行傳感器激勵和ADC參考。這種方法需要一個ADC，例如Microchip MCP3551，它使用外部精密電壓基準或允許工程師禁用內(nèi)部連接到ADC電路的片上精密基準電壓（由Microchip Technology提供）。

設(shè)計人員還可以構(gòu)建傳感器激勵使用比例式設(shè)計的MCU的功能。使用Microchip Technology PIC16C774，工程師可以構(gòu)建一個簡單的激勵電路，其中一個MCU的內(nèi)部參考電壓的緩沖輸出提供激勵電壓。來自橋式傳感器的差分輸出進一步緩沖，濾波并傳送到MCU的片上ADC（圖3），以提供具有傳感器激勵的完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案。

圖3：設(shè)計人員可以使用高度集成的MCU（如Microchip Technology PIC16C774 MCU）來提供傳感器激勵和測量，并使用最少的外部元件進行緩沖，放大和濾波（由Microchip Technology提供）。需要大量的信號調(diào)節(jié)來降低噪聲，增加動態(tài)范圍，并補償傳感器的非線性。對于這些設(shè)計，先進的模擬前端（AFE）信號調(diào)理器IC將信號處理功能與傳感器激勵功能相結(jié)合。德州儀器（TI）LMP90080信號調(diào)理器IC集成了兩個匹配的可編程電流源，能夠提供100至1，000μA的電流來激勵RTD和橋式傳感器（圖4）。

圖4：德州儀器（TI）LMP90080 IC將完整的傳感器信號調(diào)理功能與一對電流源IB1和IB2相結(jié)合，能夠在基于傳統(tǒng)PT-100設(shè)備的三線RTD電路等設(shè)計中提供100至1，000μA的傳感器激勵（禮貌）對于霍爾傳感器，傳感器激勵變得更加復(fù)雜，霍爾傳感器在存在磁場的情況下產(chǎn)生輸出電壓。這些傳感器用于智能電表中的接近感應(yīng)和電流感應(yīng)等各種應(yīng)用，其磁靈敏度與施加于其上的激勵電壓成正比。在典型設(shè)計中使用標稱激勵電壓，霍爾傳感器本身可能消耗毫安電流，這對于在緊湊的功率預(yù)算下的能量收集設(shè)計而言是不可接受的功率要求。因此，需要在能量采集設(shè)計中使用霍爾傳感器的工程師可能只是希望降低激勵電壓以降低電流。不幸的是，激勵的顯著降低意味著傳感器靈敏度的相應(yīng)降低。

一種在降低傳感器能耗的同時保持整體設(shè)計靈敏度的方法建立在超低功耗器件上，例如凌力爾特公司的LT1790微功率基準，LT1782運算放大器和LT6011精密運算放大器（圖5）。這里，LT1782緩沖LT1790基準電壓源的衰減輸出，將勵磁電流降低一個數(shù)量級。雖然傳感器靈敏度相應(yīng)降低，但配置為儀表放大器的LT6011運算放大器提供了一個數(shù)量級的增益補償，有效地為整體設(shè)計提供了相同的靈敏度，但功耗水平大大降低。

圖5：使用超低功耗IC可以保持整體設(shè)計靈敏度，提高傳感器輸出以補償較低的傳感器激勵水平（由Linear Technology提供）。

適用于寬溫度的霍爾傳感器應(yīng)用變化，諸如德州儀器DRV411之類的設(shè)備提供了集成解決方案。與用于RTD傳感應(yīng)用的TI LMP90080一樣，TI DRV411將完整的信號調(diào)理路徑與集成的傳感器激勵功能相結(jié)合。 DRV411專為減少偏移和漂移而設(shè)計，可提供隨溫度變化的激勵電流，以將霍爾傳感器的靈敏度保持在恒定水平。為了進一步提高精度，該設(shè)備采用自旋電流法，其中激勵電流在正交方向旋轉(zhuǎn)，傳感器輸出平均以抵消偏移并降低1/f噪聲。

結(jié)論

使用電壓或電流激勵源對于有源傳感器（如RTD，橋傳感器和霍爾元件）的正常運行至關(guān)重要。對于基本要求，工程師可以使用運算放大器構(gòu)建合適的激勵電路，或采用比率測量方法來簡化設(shè)計。對于更復(fù)雜的要求，高度集成的設(shè)備提供復(fù)雜的激勵功能，旨在提高測量精度。對于工程師而言，廣泛的可用IC和設(shè)計方法為低功耗能量采集設(shè)計中的傳感器激勵提供了現(xiàn)成的解決方案。