隨著春節的臨近，疫情再次反復，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格單元的關注點，如何自我保護不影響團聚過年成為普通人的小目標。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品“紅外熱像儀”（如圖1）。

紅外熱像儀通過探測目標物體的紅外輻射，然后經過光電轉換、電信號處理及數字圖像處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像，傳統應用領域為工業及汽車產業。

圖 2 紅外熱像儀基本硬件結構

基本工作步驟為（如圖2）：FPA探測器——信號放大——信號優化——信號ADC采樣——SOC/FPGA整形與預處理——信號圖形及數據顯示，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、信號優化階段是比較考驗設計的時刻，工業應用和醫用有著不一樣的要求，所以使得小信號放大成為關鍵節點，故根據配套的采樣和預處理系統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，在傳統的醫用額溫槍方案中電子元器件供需關系緊張時，不同廠商采用不同的方案保障生產計劃。滿足醫用級額溫槍、耳溫槍精度要求的熱電堆傳感器應用，保證高精度不僅需要符合指標要求的硬件，軟件開發以及系統標定和校準也同樣重要。

目前額溫槍的方案可以概括為三種： 1、數字型輸出的熱電堆傳感器 + 低成本低功耗處理器方案；（在出廠前已經做了預校準，設計者做基本配置和簡單出廠校準就能直接從傳感器中得到目標溫度值和環境溫度值，是傻瓜式操作）； 2、熱電堆傳感+高精度自穩零運放 + 低成本低功耗處理器方案（最靈活，最難調試）； 3、熱電堆傳感+內部集成PGA（差分儀表放大器結構）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。在實際應用中，難以真正達到醫用級額溫槍精度，或者即使勉強達到，其真實付出的硬件成本也并不低。熱電堆傳感器目標溫度每變化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確的放大是關鍵。電路有以下幾個要求：

運放需要使用正向放大拓撲結構。原因是熱電堆傳感器本身內阻較高，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撲結構下才能保證高阻輸入。

需要偏置到大于0V的正電壓。當測量目標溫度小于環境溫度時，熱電堆傳感器來輸出是小于零的負電壓。這就需要把熱電堆傳感器的輸出負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。

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

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

第3種方案是比較適用于醫用額溫槍的方案，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用場合。輸入一般為差分輸入，相對處理器內部的單端輸入ADC而言，差分輸入的優點是對于熱電堆信號負上的共模電壓，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、心率監測器、呼吸機等醫療產品，都是對人體的生理模擬信號予以測量的產品，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用場合。傳感器（感官）+運算放大器（神經末梢）+ADC（腦）+處理器（心臟）是醫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

醫療傳感器監測到的溫度、濕度、氣體、流量或生理信號，施以適當的信號放大調理鏈路極為重要，在模擬前端（AFE，Analog Front End）電路設計中，運算放大器（OPA，Operational Amplifier）是最關鍵的器件，選擇低噪、高精、低功耗、低偏置電流的運算放大器，能直接影響產品測量結果的精準度。如今的運放技術已可實現 μV 級失調電壓、nV 級漂移和超低噪聲性能。在實際電路中，運放通常結合反饋網絡共同組成某種特定功能模塊。

圖 5 壓力傳感器框圖

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

在工業生產中，高溫熔體壓力傳感器廣泛用于塑料、化纖、橡膠、鍋爐等行業的高溫熔體壓力測控；在生活中，也有應用于空調的中央空調型壓力傳感器、變送器；在輸油管道里，需要智能數顯壓力控制器；在汽車中，需要胎壓監控；在航空領域，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，轉換元件固有的轉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、傳感器在設計時電路要足夠精煉簡約，才能有效提升信噪比。才不會發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，電路越修改越復雜，復雜電路又會帶來更多噪聲困擾的惡性循環中。

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

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

精密運算放大器一般指失調電壓低于1mV的運放，對于直流輸入信號，輸入失調電壓（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、可靠的熱穩定性和對數以千計讀數和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現性，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，比如開環放大倍數更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調電壓或失調電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。好的精密運放的性能遠不是一般運算放大器可以比的，一般運放的失調往往是幾個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用。除了放大以外，運放對信號還有其他調理功能，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，對于產品來說，不同的方案有不一樣的標準和保障精度，所以選擇的運放標準也不盡相同。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計需求，應用于測溫槍和手持云臺的有TP5551，是低噪聲的零漂單運放；應用于紅外熱成像儀和掃地機的TPH2501 / TPH2502，是高速運放；此外，3PEAK的預算放大器產品在家用電器、無人機、光伏逆變器、共享單車等領域都有應用。

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