传感器放大器零点漂移的分析及电路设计

2018-04-27张婷中国航发四川燃气涡轮研究院

数码世界 2018年4期

张婷中国航发四川燃气涡轮研究院

传感器是机械设备实现自动检测与控制的重要环节，其中微弱信号由传感器采集，然后经过放大器放大才能进行测量。然而，受到温度变化、电压不稳的影响，电路输出端的电压偏离固定值，就会出现零点漂移现象，通过电路设计对零点漂移进行抑制，成为工作人员的研究重点。以下对此进行探讨。

1 零点漂移的发生原因和抑制措施

1.1 发生原因

放大器的工作采用直接耦合方式，各级均产生放大效果，如果第一级发生微弱变化，输出级就会出现明显变化。一旦输入短路，此时输出就会变化，继而形成零点漂移，严重情况下会使信号淹没，此时放大电路无法正常工作。分析该现象的发生原因如下：①电源电压不稳；②元器件参数变化；③外界环境温度变化。其中，温度变化是主因，晶体管对温度比较敏感，随着温度的变化，晶体管的工作参数也会变化，放大电路就会出现零点漂移。

1.2 抑制措施

结合工作实践，抑制零点漂移的措施主要如下：①选用高质量硅管，严格控制晶体管的制作工艺，尤其保证半导体表面清洁，能减小漂移程度。②将直流负反馈引入电路，能稳定静态工作点。③温度补偿，增设热敏元件，抵消放大器产生的漂移现象，将漂移量控制在较低限度。④通过调制，首先将直流变化量转化为其他变化量，然后利用较小漂移的阻容耦合电路进行放大，最后还原放大信号。⑤基于温度补偿原理下，可以利用型号和特性相同的2只晶体管进行补偿，设计出差动放大电路。

2 传感器放大器的使用要求和常见问题

2.1 使用要求

如下图1，传感器由敏感元件、转换元件、变换电路、辅助电源四个部分组成。其中，放大器的主要功能是采集并放大传感器的输出信号，对于放大器的要求如下：①高放大倍数，能放大微弱信号，满足测量和利用需求；②高阻抗，减少对信号造成的影响；③高共模抑制比，避免线路串入产生共模干扰。

图1 ：传感器的基本组成结构

2.2 常见问题

放大器属于集成传感器，具有丰富的种类，除了通用型以外，还包括高输入阻抗型、高精度型、低功耗型等。选择放大器时，要考虑到生产用途和性能要求，为了满足精度要求，一方面要消除自激振荡，另一方面要调零处理，以消除零点漂移现象。在实际生产应用中，引脚中设置了调零端子，和调零电位器连接后即可进行调零操作。但实践应用表明，该调零法具有静态性，由于现场干扰因素多，一般难以完全消除漂移现象。

3 减小零点漂移的电路设计

3.1 直流电平控制电路

以L-17C放大器为例，直流电平控制电路对于漂移补偿的原理如下：没有信号输入时，放大器输出端的直流电压就是零点漂移电压，该电压超过窗口电压时，控制电路就会输出一个调整电压ΔV并到达输入端，这个调整电压就作为输入电压，促使漂移电压移动、落入窗口部位。如下图2，是该控制电路的原理图，实际应用中，除了2个比较器、1个10BitD/A转换器以外，其余电路功能采用可编程逻辑器即可代替完成。比较器1、比较器2构成了窗口比较器，Va+是允许的最大正漂移，Va-是允许的最大负漂移，窗口电压V=Va+-Va-，这是允许漂移的最大范围。

图2 ：直流电平控制电路原理图

3.2 自动调零电路

所谓自动调零，就是设计调零电路安装在放大器前端，测量前会保存零点漂移信号，测量后从输出信号中消除漂移信号，此时就能得到真实信号。该电路结构设计简单，只需在原来的电路中增设几个元器件即可。如下图2，是自动调零电路图，主要由放大器A1、时间保持电路S1-A2、运算电路A3、其他逻辑电路等组成。

图3 ：自动调零电路图

由于零点漂移是一个缓慢变化的过程，因此利用该电路时，存在的问题是测量会持续一段时间，需要另外获得零点漂移信号。为了提高调零准确性，测量期间的漂移信号应尽量减小，这就对电路保持时间提出了明确要求，甚至要达到数个小时，普通保持电路难以满足这一要求。以RC充电电路为例，假设C为10μF，R为10MΩ，计算可得电路时间常数t为100s，100s后电容信号消失。由此可见，线路中的保持时间过短，受限于工艺技术和安全性，不能过度加大电容或电阻，因此该电路设计存在弊端。

3.3 长时间信号保持电路

在自动调零电路的基础上，设计长时间信号保持电路，主要利用高阻抗的放大器，充电时间、放电时间分别为1s、1000s。如下图3，是该电路原理图，其中F代表信号源，A代表放大器。采集零信号时，闭合S1和S2，此时漂移信号就会经过RC电路，实现电容充电的效果。假设C为10μF，R为50kΩ，充电时间常数t=R，C=0.5s，高阻抗放大器的泄漏电流为10-10A，电容两端电压为10mV，计算可得电容电荷为10-7库仑，放电时间T为1000s。相比于RC电路，该电路的放电时间扩大10倍。用于自动调零电路中，间隔500s采样1次，零点漂移信号引起的误差就能减小50%。