隨著春節(jié)的臨近，疫情再次反復(fù)，石家莊和沈陽的聚集性病例讓我們再一次將目光聚焦于新冠肺炎，如何防控成為了各個小網(wǎng)格單元的關(guān)注點，如何自我保護不影響團聚過年成為普通人的小目標(biāo)。夏天的時候，我們寫過一篇文章講到“紅外熱像儀原理及電子器件分析”，就是在疫情中除了額溫槍以外廣泛使用的測溫產(chǎn)品“紅外熱像儀”（如圖1）。

紅外熱像儀通過探測目標(biāo)物體的紅外輻射，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理及數(shù)字圖像處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像，傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域為工業(yè)及汽車產(chǎn)業(yè)。

圖 2 紅外熱像儀基本硬件結(jié)構(gòu)

基本工作步驟為（如圖2）：FPA探測器——信號放大——信號優(yōu)化——信號ADC采樣——SOC/FPGA整形與預(yù)處理——信號圖形及數(shù)據(jù)顯示，其間伴隨TEC（熱電制冷器）對探測器焦平面溫度的反饋控制。

信號放大、信號優(yōu)化階段是比較考驗設(shè)計的時刻，工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)用有著不一樣的要求，所以使得小信號放大成為關(guān)鍵節(jié)點，故根據(jù)配套的采樣和預(yù)處理系統(tǒng)需要來選擇合適的運放顯得很重要。

紅外熱像儀適用于人群聚集場合，在人流量較大的場景使用。額溫槍適用于醫(yī)院和家用，對于精度要求較高。額溫槍的核心器件是熱電堆傳感器，在傳統(tǒng)的醫(yī)用額溫槍方案中電子元器件供需關(guān)系緊張時，不同廠商采用不同的方案保障生產(chǎn)計劃。滿足醫(yī)用級額溫槍、耳溫槍精度要求的熱電堆傳感器應(yīng)用，保證高精度不僅需要符合指標(biāo)要求的硬件，軟件開發(fā)以及系統(tǒng)標(biāo)定和校準(zhǔn)也同樣重要。

目前額溫槍的方案可以概括為三種： 1、數(shù)字型輸出的熱電堆傳感器 + 低成本低功耗處理器方案；（在出廠前已經(jīng)做了預(yù)校準(zhǔn)，設(shè)計者做基本配置和簡單出廠校準(zhǔn)就能直接從傳感器中得到目標(biāo)溫度值和環(huán)境溫度值，是傻瓜式操作）； 2、熱電堆傳感+高精度自穩(wěn)零運放 + 低成本低功耗處理器方案（最靈活，最難調(diào)試）； 3、熱電堆傳感+內(nèi)部集成PGA（差分儀表放大器結(jié)構(gòu)）的18位以上Sigma Delta ADC + 處理器的方案。

第2種方案的難點在于小信號處理，即對運放的挑選和使用。在實際應(yīng)用中，難以真正達(dá)到醫(yī)用級額溫槍精度，或者即使勉強達(dá)到，其真實付出的硬件成本也并不低。熱電堆傳感器目標(biāo)溫度每變化0.1°C，輸出電壓變化量基本上在uV量級。對這個原始信號進行充分而準(zhǔn)確的放大是關(guān)鍵。電路有以下幾個要求：

運放需要使用正向放大拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。原因是熱電堆傳感器本身內(nèi)阻較高，所以需要傳感器接口電路必須是高阻輸入。而運放只有在正向放大電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下才能保證高阻輸入。

需要偏置到大于0V的正電壓。當(dāng)測量目標(biāo)溫度小于環(huán)境溫度時，熱電堆傳感器來輸出是小于零的負(fù)電壓。這就需要把熱電堆傳感器的輸出負(fù)偏置到一個大于零伏的正電壓。

圖 3 第2方案的額溫槍框圖

圖 3 第2方案的額溫槍框圖

運放自身的偏置（Offset）要很小，需要在uV級別，減小自身偏置對精度的干擾。 以及1/f噪聲（0.1~10Hz等效輸入pk-pk噪聲）需要在uV級別。

運放增益是使用電阻對配出來的，而電阻對的溫漂匹配度也需要考慮。

采集環(huán)境通道的那一路，也推薦使用運放來做信號調(diào)理，從熱電堆傳感器原理來講，環(huán)境溫度采集精度事實上直接影響目標(biāo)溫度的精度。

綜合以上的要求，第2種方案想要達(dá)到醫(yī)用精度，需要付出的采集周邊調(diào)整的軟硬件成本都不低。需要設(shè)計者對于運放的選擇和使用得心應(yīng)手，并做到精簡設(shè)計。

第3種方案是比較適用于醫(yī)用額溫槍的方案，其中采用的Sigma Delta ADC，一般在配置為較低輸出率（ODR）的情況下，可以保證很高的信噪比。其輸入等效噪聲在nV級， 比1uV的要求小10倍以上，完全可以滿足熱電堆傳感器用于額溫槍的應(yīng)用場合。輸入一般為差分輸入，相對處理器內(nèi)部的單端輸入ADC而言，差分輸入的優(yōu)點是對于熱電堆信號負(fù)上的共模電壓，幾乎沒有任何精度上的要求。

除了額溫槍，血壓計、血氧儀、肺活量計、心率監(jiān)測器、呼吸機等醫(yī)療產(chǎn)品，都是對人體的生理模擬信號予以測量的產(chǎn)品，初始信號往往比較微弱，需要進行放大、過濾處理，也是運算放大器的重要應(yīng)用場合。傳感器（感官）+運算放大器（神經(jīng)末梢）+ADC（腦）+處理器（心臟）是醫(yī)療終端的典型器件組成。（如圖4為指夾血氧儀硬件框圖）。

圖4 指夾血氧儀硬件框圖

醫(yī)療傳感器監(jiān)測到的溫度、濕度、氣體、流量或生理信號，施以適當(dāng)?shù)男盘柗糯笳{(diào)理鏈路極為重要，在模擬前端（AFE，Analog Front End）電路設(shè)計中，運算放大器（OPA，Operational Amplifier）是最關(guān)鍵的器件，選擇低噪、高精、低功耗、低偏置電流的運算放大器，能直接影響產(chǎn)品測量結(jié)果的精準(zhǔn)度。如今的運放技術(shù)已可實現(xiàn) μV 級失調(diào)電壓、nV 級漂移和超低噪聲性能。在實際電路中，運放通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種特定功能模塊。

圖 5 壓力傳感器框圖

除了醫(yī)用場景，比如壓力傳感器（如圖5）、液位變送器等工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品，都是傳感器+運算放大器+ADC（+處理器）的典型應(yīng)用。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、等眾多行業(yè)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，高溫熔體壓力傳感器廣泛用于塑料、化纖、橡膠、鍋爐等行業(yè)的高溫熔體壓力測控；在生活中，也有應(yīng)用于空調(diào)的中央空調(diào)型壓力傳感器、變送器；在輸油管道里，需要智能數(shù)顯壓力控制器；在汽車中，需要胎壓監(jiān)控；在航空領(lǐng)域，比如此次的嫦娥五號采集月壤時需要探頭壓力檢測、采集月壤歸途需高溫壓力傳感器。

壓力傳感器通常轉(zhuǎn)換成僅依賴于壓力大小的較高的電壓電流等信號，再顯示出來。因此需要注意幾點：

1、要首先考慮如何獲取有用信號并且將噪聲做到最小化。尤其是測量非常小的物理量時，轉(zhuǎn)換元件固有的轉(zhuǎn)換噪聲等背景噪聲信號就會比較明顯，甚至將測量信號湮沒。

2、傳感器在設(shè)計時電路要足夠精煉簡約，才能有效提升信噪比。才不會發(fā)生放大信號的同時將噪聲也一同放大的情況，更不會陷入因噪聲困擾，電路越修改越復(fù)雜，復(fù)雜電路又會帶來更多噪聲困擾的惡性循環(huán)中。

3、選用合適的元器件，采用帶有較好的共模抑制比的運放、差分放大電路設(shè)計或許就能夠滿足電源指標(biāo)。此外，盡可能降低電源的回路所產(chǎn)生的噪聲也是需要重視的。

要做到精簡設(shè)計的同時達(dá)到既定目標(biāo)，需要選擇合適的運放。一般在設(shè)計時選用精密運放。

精密運算放大器一般指失調(diào)電壓低于1mV的運放，對于直流輸入信號，輸入失調(diào)電壓（VOS）和它的溫漂小就行，但對于交流輸入信號，還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲。

在傳感器類型和（或）其使用環(huán)境帶來許多特別要求時，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩(wěn)定性和對數(shù)以千計讀數(shù)和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現(xiàn)性，運算放大器的選擇就會變得特別困難。精密運算放大器的性能比一般運放好很多，比如開環(huán)放大倍數(shù)更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調(diào)電壓或失調(diào)電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。好的精密運放的性能遠(yuǎn)不是一般運算放大器可以比的，一般運放的失調(diào)往往是幾個mV，而精密運放可以小到1uV 的水平。

要放大微小的信號，必須用精密運放，用了一般的運放，它自身都會帶入很大的干擾。要通過外圍電路改善，小幅或者微調(diào)可以，但無法大幅度或者徹底改變。

額溫槍、壓力傳感器等是典型的需要小信號放大的應(yīng)用。除了放大以外，運放對信號還有其他調(diào)理功能，如信號進行反相輸出，做恒流源，恒壓源。在電源電路中，運放還可以進行檢波、精密半波整流等等。但是，在傳感器領(lǐng)域，運放最受重視的，還是精密的小信號放大能力，也是最為人所熟知的。

就像在額溫槍的部分所說到的，對于產(chǎn)品來說，不同的方案有不一樣的標(biāo)準(zhǔn)和保障精度，所以選擇的運放標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。無論如何選擇，傳感器總是離不開運放的。

3PEAK旗下目前有納安運放、低噪運放、零漂運放、高速運放、微功耗運放等，精密度和影響能夠滿足工程師的設(shè)計需求，應(yīng)用于測溫槍和手持云臺的有TP5551，是低噪聲的零漂單運放；應(yīng)用于紅外熱成像儀和掃地機的TPH2501 / TPH2502，是高速運放；此外，3PEAK的預(yù)算放大器產(chǎn)品在家用電器、無人機、光伏逆變器、共享單車等領(lǐng)域都有應(yīng)用。

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