惠斯通电桥的噪声与温度漂移应对方案
出处：网络整理 发布于：2026-09-04 17:10:19 | 14 次阅读
信号链基础与惠斯通电桥相关背景
信号链由放大器、数据转换器、接口、时钟及定时器等多个核心组件构成，其核心目标是通过对实时信息的采集与处理，实现数据获取或系统控制。2007 年，德州仪器（TI）的信号链专家在《Electronic Design News (EDN)》杂志上推出 “信号链基础知识” 系列文章，深入剖析了模拟信号链的工作原理。在本系列的第 1 部分，讨论了惠斯通电桥拓扑结构、激励和校准方法，以及使用差分放大器（DAs）和仪表放大器（INAs）等构建块的基本信号调节技术。
放大器信号调节及误差分析
偏移和增益误差相对容易校准，但噪声（如器件固有噪声和电源噪声）以及与温度相关的误差（如偏移和增益漂移），还有数字和时钟开关、交流电源干扰等，解决起来较为困难或成本高昂。因此，优先选用具有高电源抑制比（PSRR）和共模抑制比（CMRR）的零漂移放大器。对于要求最高精度和稳健性的解决方案，集成式应用特定标准产品（ASSPs）还可以校准传感器的非线性和漂移，并具备传感器故障检测和诊断功能。
具体误差类型及应对措施
固有噪声和偏移漂移：在大多数应用中，需要检测的小信号频率通常低于 10kHz。传统放大器在低频段会产生逐渐增大的 1/f 噪声（闪烁噪声），这是惠斯通电桥应用追求高性能的主要限制因素。如图 1 所示为 INA 的典型噪声性能。CMOS 零漂移 INAs 通常具有较低的 1/f 噪声，其采用斩波技术，使噪声在全频段保持平坦响应，还可显著降低偏置电压及其漂移。图 2 展示了零漂移 INA 的固有噪声性能。
图 2 精密仪表放大器 INA333 的输入电流和电压噪声频谱密度与频率间的关系
电源噪声：噪声可能通过电桥传感器的电源电压引入，并在传感器输出端表现为共模噪声。解决此噪声的主要方法有两种：使用高 CMRR 的仪表放大器，或者使用低噪声基准为电桥供电。如图 3 所示，设计人员应根据电桥的激励电压和阻抗，谨慎选择具有足够电压和负载电流的基准源。
图 5 ICFB 型 INA 的 CMRR 随频率变化曲线
增益漂移与温度间的关系：在使用传统电压反馈型 INAs 的应用中，系统增益随温度的变化通常主要受外部增益设定电阻的温度系数影响。一种解决方案是使用可选增益 INA 或可编程增益仪表放大器（PGIA），它们内置了匹配电阻，并能够实现一致漂移。图 6 对比了采用外部增益设定电阻的传统电压反馈 INA 与 PGIA。ICFB 型 INAs 使用两个外部电阻器来设置增益，采用匹配电阻对，相比传统电压反馈 INA 中仅使用单个外部增益设定电阻，可实现更优的漂移性能。图 7 中的绿框标示了这两个电阻 R1 和 R2。
对于需要针对输入信号及温度对传感器非线性进行校准的超精度应用，ASSP 可能是一个不错的选择。ASSPs 通常具有数模转换器（DACs），可用于校准偏移误差和增益误差，并可能集成参考电压源和温度传感器等功能。其通常内置一次性可编程存储器，或外接电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），分别用于一次性出厂校准或按需校准。部分 ASSPs 还具备诊断功能，例如通过监测输入信号共模电压来检测传感器故障。另外，当 ASSP 和 ADC 采用不同电源供电时，还可以将最大输出电压限制在 ADC 的最大输入范围内。图 8 展示了一款具有上述功能的 ASSP。
Δ - Σ ADC 架构因其低功耗以及通过平均和噪声整形实现极低的噪声水平，成为惠斯通电桥测量中的常用选择。此外，一些电桥测量 ADCs 还集成了可编程增益放大器（PGA），用于提供额外增益并优化建立时间。图 9 展示了此类 ADC 结构。
图 9 用于电桥测量的 ADC 附带一个内置 PGA
设计考量与选择
在对惠斯通电桥的信号进行调理时，除了 DAs 和 INAs 之外，还有许多其他选择。除了前文提到的器件固有的噪声、电桥电源噪声、精度、温度特性以及校准等因素外，还需综合考虑功耗、设计便捷性、灵活性、成本、尺寸以及多信号源需求等。在设计考量如此多的情况下，在选择并实现惠斯通电桥传感器的信号调理方案时，应谨慎评估与取舍。
信号链由放大器、数据转换器、接口、时钟及定时器等多个核心组件构成，其核心目标是通过对实时信息的采集与处理，实现数据获取或系统控制。2007 年，德州仪器（TI）的信号链专家在《Electronic Design News (EDN)》杂志上推出 “信号链基础知识” 系列文章，深入剖析了模拟信号链的工作原理。在本系列的第 1 部分，讨论了惠斯通电桥拓扑结构、激励和校准方法，以及使用差分放大器（DAs）和仪表放大器（INAs）等构建块的基本信号调节技术。
放大器信号调节及误差分析
偏移和增益误差相对容易校准，但噪声（如器件固有噪声和电源噪声）以及与温度相关的误差（如偏移和增益漂移），还有数字和时钟开关、交流电源干扰等，解决起来较为困难或成本高昂。因此，优先选用具有高电源抑制比（PSRR）和共模抑制比（CMRR）的零漂移放大器。对于要求最高精度和稳健性的解决方案，集成式应用特定标准产品（ASSPs）还可以校准传感器的非线性和漂移，并具备传感器故障检测和诊断功能。
具体误差类型及应对措施
固有噪声和偏移漂移：在大多数应用中，需要检测的小信号频率通常低于 10kHz。传统放大器在低频段会产生逐渐增大的 1/f 噪声（闪烁噪声），这是惠斯通电桥应用追求高性能的主要限制因素。如图 1 所示为 INA 的典型噪声性能。CMOS 零漂移 INAs 通常具有较低的 1/f 噪声，其采用斩波技术，使噪声在全频段保持平坦响应，还可显著降低偏置电压及其漂移。图 2 展示了零漂移 INA 的固有噪声性能。
图 1 输入电压噪声频谱密度与频率间的关系
图 2 精密仪表放大器 INA333 的输入电流和电压噪声频谱密度与频率间的关系电源噪声：噪声可能通过电桥传感器的电源电压引入，并在传感器输出端表现为共模噪声。解决此噪声的主要方法有两种：使用高 CMRR 的仪表放大器，或者使用低噪声基准为电桥供电。如图 3 所示，设计人员应根据电桥的激励电压和阻抗，谨慎选择具有足够电压和负载电流的基准源。
图 3 设计工程师可以选择低噪声基准作为电桥激励电压
共模噪声：噪声可通过任何介质从相邻干扰源（如交流电源线和开关稳压器）耦合到输入放大器。为最大限度减少此误差，应优先使用具有高 CMRR 的输入放大器。在传统的电压反馈型 INAs 中，CMRR 性能与电阻匹配度和差分增益成正比，随着增益的降低，CMRR 性能也随之下降。图 4 显示了传统 INA 的 CMRR 与频率关系。一种可替代的间接电流反馈（ICFB）拓扑，其 CMRR 取决于运算跨导放大器（OTAs）的输入跨导和反馈跨导之间的匹配度，通常具有优于传统电压反馈型 INAs 的 CMRR 性能，且不依赖于增益。在更低增益和更低频率的条件下，ICFB 型 INAs 的性能也明显更优。图 5 展示了 ICFB 型 INA 的 CMRR 随频率变化曲线。 
图 4 传统 INA 的 CMRR 与频率图
图 5 ICFB 型 INA 的 CMRR 随频率变化曲线增益漂移与温度间的关系：在使用传统电压反馈型 INAs 的应用中，系统增益随温度的变化通常主要受外部增益设定电阻的温度系数影响。一种解决方案是使用可选增益 INA 或可编程增益仪表放大器（PGIA），它们内置了匹配电阻，并能够实现一致漂移。图 6 对比了采用外部增益设定电阻的传统电压反馈 INA 与 PGIA。ICFB 型 INAs 使用两个外部电阻器来设置增益，采用匹配电阻对，相比传统电压反馈 INA 中仅使用单个外部增益设定电阻，可实现更优的漂移性能。图 7 中的绿框标示了这两个电阻 R1 和 R2。
图 6 一个采用外部增益电阻器的传统 INA (a) 和一个具有集成增益网络的 PGIA (b)
图 7 ICFB 型 INA 示意，采用匹配的外部增益设置电阻器 R1 和 R2
超精度应用与 ASSPs对于需要针对输入信号及温度对传感器非线性进行校准的超精度应用，ASSP 可能是一个不错的选择。ASSPs 通常具有数模转换器（DACs），可用于校准偏移误差和增益误差，并可能集成参考电压源和温度传感器等功能。其通常内置一次性可编程存储器，或外接电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），分别用于一次性出厂校准或按需校准。部分 ASSPs 还具备诊断功能，例如通过监测输入信号共模电压来检测传感器故障。另外，当 ASSP 和 ADC 采用不同电源供电时，还可以将最大输出电压限制在 ADC 的最大输入范围内。图 8 展示了一款具有上述功能的 ASSP。
图 8 用于惠斯通电桥测量的 ASSP 示意，包含上述功能
ADC 架构选择Δ - Σ ADC 架构因其低功耗以及通过平均和噪声整形实现极低的噪声水平，成为惠斯通电桥测量中的常用选择。此外，一些电桥测量 ADCs 还集成了可编程增益放大器（PGA），用于提供额外增益并优化建立时间。图 9 展示了此类 ADC 结构。
图 9 用于电桥测量的 ADC 附带一个内置 PGA设计考量与选择
在对惠斯通电桥的信号进行调理时，除了 DAs 和 INAs 之外，还有许多其他选择。除了前文提到的器件固有的噪声、电桥电源噪声、精度、温度特性以及校准等因素外，还需综合考虑功耗、设计便捷性、灵活性、成本、尺寸以及多信号源需求等。在设计考量如此多的情况下，在选择并实现惠斯通电桥传感器的信号调理方案时，应谨慎评估与取舍。
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