今天傳感器無處不在。我們的智能手機和平板電腦都裝有它們。我們的汽車有溫度傳感器、圖像傳感器和壓力傳感器。我們的家庭環境變得越來越精明。

傳感器測量各種不同的模擬現象：

我們手機上關閉顯示屏的接近傳感器

調節背光的光傳感器

通過我們城市管道的空氣、化學品和水流量傳感器

煉油廠的化學傳感器

當地微型啤酒廠的溫度、液位和其他環境傳感器

傳感器輸出模擬值后，下一步是將信號轉換為可用格式。什么樣的信號調理和模數轉換最好？本文著眼于這些問題。

對于上述所有傳感器，模擬信號可能會有很大差異。一些傳感器，例如 pH/化學傳感器，提供高阻抗輸出。許多其他信號提供非常低電平的信號，很難從噪聲中提取真實信息。而其他的，例如熱電偶，會產生非線性信號，并且每種類型都不同。

低電平電壓信號

壓力是世界上監測較多的信號之一。帶有惠斯通電橋的壓力傳感器用于工業應用。例如，雜貨店的壓力傳感器稱量午餐肉，但它們也可用于倉庫傳送帶內的動態秤，這對高精度和寬動態范圍至關重要。

圖 1 顯示了橋式傳感器的一個示例，其中在 +Vout 和 -Vout 之間產生了一個輸出電壓，該電壓取決于激勵電壓差和對可變電阻器的影響。橋式傳感器通常輸出幾毫伏量級的電壓。典型的壓縮范圍為 1,000:1，其中 1V 的總激勵電壓差會在兩個輸出之間產生 1mV 的最大值。可以增加激勵電壓，但會消耗更多功率。?

圖 1：惠斯通電橋根據勵磁電壓和抗壓抗拉力提供輸出。

1 mV 的最大范圍不能提供非常大的動態范圍來從本底噪聲中獲取感興趣的信號，本底噪聲通常低至幾微伏或幾十微伏。所有橋式傳感器后面都將有一個放大器或可編程增益放大器 (PGA)。這通常會跟隨一個 A/D 轉換器。大多數 A/D 提供 3 V 或 5 V 的最大輸入范圍，因此您需要將 1 mV 橋式傳感器信號放大到使用所有（或更多）A/D 可用電壓范圍的信號。

許多公司提供獨立的放大器，可配置外部電阻器或數字電位器以獲得放大器增益。許多還提供可配置 SPI 接口的 PGA。帶有集成 PGA 的 sigma-delta A/D 轉換器通常是當今的最佳選擇。這些設備的數量在過去 10 年中大幅增長。其中許多具有 16 位、20 位或 24 位 A/D 對話，并且集成的 A/D 加 PGA 可實現盡可能低的噪聲。

我們來看看倉庫輸送帶秤。這些倉庫運送貨物的速度越快，其吞吐量和利潤率就越高。能夠在包裹從一個站點移動到另一個站點的同時動態測量包裹重量變得越來越普遍。由于這些倉庫以各種重量運送貨物，因此需要寬動態范圍和低噪音，以及相對較快的采樣率。

該電路的一個示例 IC 是 MAX11270，它提供了采樣率、寬動態范圍和低噪聲的良好組合。其最大采樣率為 64 ks/s，PGA 的噪聲電平為 6.5 nV/√Hz。該器件可以在 1-ks/s 的采樣率下實現 21.0 的有效位數 - 或優于 200 萬分之一。

高阻抗化學傳感器

在過程控制等應用中，化學傳感器對于將成分混合保持在正確水平至關重要。大多數人很容易想象小型啤酒廠。在釀造過程中，成分的混合對于確保消費者獲得可重復（且令人愉悅）的口味至關重要。

測量 pH 值的傳感器通常用于此過程控制。它們具有高阻抗電極信號輸出。需要一個具有非常小的輸入偏置電流的放大器來將此阻抗信號轉換為更容易測量的信號。對于化學傳感器，需要皮安級甚至毫微微安級的輸入偏置電流來降低總誤差。在這里，有必要深入研究數據表并確認應用所需溫度范圍內的規格。

許多低輸入偏置電流運算放大器可供選擇。其中之一是 MAX44242。雖然它的輸入偏置電流沒有其他一些 JFET 放大器那么低，但它比標準放大器低幾個數量級，對于這種傳感器接口來說是一個不錯的選擇。圖 2 詳細說明了器件在整個溫度范圍內的輸入偏置電流規格。

圖 2. MAX44242 輸入偏置電流在整個溫度范圍內最大為 50pA。

Maxim 的教程 717 深入解釋了各種電壓放大器類型的關鍵放大器規格，以及溫度對所有這些規格的影響。

通信和數據中心設計

接下來，讓我們考慮一個設計成基站或數據中心等應用程序的復雜處理器板。這些電路板在每一代都繼續消耗更高的功率，同時也試圖擠進更小的空間。更高的數據速率會產生更高的功耗和更高的溫度。每一代的測量溫度都變得越來越重要。一些 ASIC 或 FPGA 將具有內部溫度傳感器。有些將包括輸出模擬信號的熱敏二極管。在其他情況下，電路板設計人員將在大功率 IC 周圍添加自己的傳感器。

如果系統設計人員需要外部溫度傳感器，則有多種選擇，包括具有模擬輸出、數字輸出或溫度開關的全緩沖 IC，使接口變得容易。封裝的選擇提供了另一種靈活性。雖然大多數溫度傳感器采用表面貼裝封裝，例如 SOIC 或 SOT23，但也可以選擇將溫度傳感器從板上取下，以獲得更準確的空氣溫度讀數。?

圖 3：電路板設計使用帶引線的溫度傳感器來測量進氣和排氣之間的溫差。

圖 3 和圖 4 包括一個帶引線的板外溫度傳感器的示例。示例器件 DS18B20 傳感器采用 3 引腳 TO-92 封裝。在大型處理器、ASIC 或 FPGA 旁邊放置一個表面貼裝溫度傳感器封裝可能會導致溫度結果與電路板上的另一點有很大差異。知道大功率 IC 旁邊的電路板溫度的兩種方法都有爭論，但含鉛封裝會提供更好的氣流溫度讀數。PCB 板層中的熱量可能會扭曲 SMT 設備的溫度讀數。許多復雜的基站和數據中心電路板設計人員將一個傳感器放置在空氣輸入端，另一個放置在氣流輸出端。

圖：4：DS18B20 溫度傳感器只有 3 個帶 1 線串行輸出的引腳。

　　審核編輯：湯梓紅