传感器放大电路解读

只看该作者 · 2017-8-19 19:03

本帖最后由 muzimaye 于 2018-7-31 10:59 编辑

下图是一电化学传感器的I/V转换电路，因为对运放的知识领悟有限，对该电路的理解不到位，下面几个问题请擅长于模拟电路的高手给解答一下：
1、该电路的放大倍数是多少（和第一个问题有所相关）；
2、目前看到的传感器I/V转换电路都是单运放，该电路使用了2级运放，求解这样做的好处有哪些；
3、查阅网上很多电化学传感器的电路都是单级运放，运放正端或者负端的输入是采用电阻接地方式，该电路则采用Vref通过电阻或者做一定的分压后接入运放正端，这样是为了采用单电源设计还是其它用意，不是非常明白；
4、重新查了传感器的输出电流，最大的量程是100ppm，在2ppm下测到的灵敏度是275-475nA/ppm，这样在100ppm最大量程下，输出的电流应该是最大27.5-47.5uA。
原理图如下，期盼赐教，不胜感激，我的qq号是337607068。

只看该作者 · 2017-8-19 19:13

本帖最后由 muzimaye 于 2017-8-20 10:32 编辑

这些问题比较困扰，对运放的理解总是没有得窍，希望能在这儿得到满意的答复，如果有详细的理解发我qq邮箱定会酬谢的

只看该作者 · 2017-8-19 19:58

假如传感器电流是4-20mA的话，R25上的电流可忽略。第一级输出电压=I×（R12+R17）
把4-20mA带进去，输出电压最高达到2940V，那是不可能的。所以你肯定搞错了。
第二级很简单，放大倍数就是-R4/R6=-5

只看该作者 · 2017-8-19 23:11

本帖最后由 muzimaye 于 2017-8-20 15:34 编辑

william008 发表于 2017-8-19 19:58
假如传感器电流是4-20mA的话，R25上的电流可忽略。第一级输出电压=I×（R12+R17）
把4-20mA带进去，输出电 ...

根据查到的资料，传感器输出电流应该远小于平常一般传感器的4-20mA, 灵敏度（Sensitivity nA/ppm at 2ppm 275 to 475）；测量范围（Range ppm limit of performance warranty 100），根据该参数推算是否最大电流在47.5uA,(在最大100ppm测量环境下)，不知理解是否正确；另外，运放的正向输入端有一个2.5V的输入，按照虚短，对放大的计算有影响。这一块正是我最薄弱也是最想了解的部分，希望能解答一下。查了资料，我理解这是一个减法器，所以计算相对复杂一些，不知道我的理解对否。

只看该作者 · 2017-8-20 15:18

今天查资料，发现一篇**，和我所提的问题基本相似，今天仔细看了3遍这篇**，似乎理解了一部分。现将该篇**的网页贴出，希望对该电路能进一步讨论澄清。
http://www.cnblogs.com/BlueMountain-HaggenDazs/p/4933145.html
再次向该**的作者表示谢意，如有机会想与该作者直接交流。

只看该作者 · 2017-8-20 15:55

还有一个问题想请教，在上文中，推荐采用较小失调电压、较小输入偏置电流的运放，推荐的型号为TL6011，请教一下对运放熟悉的朋友，选择OPA2335、OPA376，AD8629是否可行，哪一个更好。关于运放的较小失调电压、较小输入偏置电流的两项指标的能否用通俗的话给解释一下，谢谢。

只看该作者 · 2017-8-20 16:42

muzimaye 发表于 2017-8-20 15:55
还有一个问题想请教，在上文中，推荐采用较小失调电压、较小输入偏置电流的运放，推荐的型号为TL6011，请教 ...

因为你的信号很微弱，所以要用失调电压很小的运放，不然会淹没你的输入信号。另外一个，输入偏置电流较大的运放，如果你的“输入阻抗”比较大的话，也会转化为较大的失调电压。而这种应用的运放，往往有较大的“输入电阻”。你是说U2是减法电路？

只看该作者 · 2017-8-20 21:02

muzimaye 发表于 2017-8-20 15:55
还有一个问题想请教，在上文中，推荐采用较小失调电压、较小输入偏置电流的运放，推荐的型号为TL6011，请教 ...

没有查到TL6011，是不是LT6011的笔误？
对比LT6011和OPA2335、OPA376，AD8629几个运放，都差不多，输入失调方面OPA2335和AD8629优秀一些，偏置电流OPA376最小，输入噪声LT6011与AD8629较低。

只看该作者 · 2017-8-21 18:10

xiaxingxing 发表于 2017-8-20 16:42
因为你的信号很微弱，所以要用失调电压很小的运放，不然会淹没你的输入信号。另外一个，输入偏置电流较大 ...

关于U2是那种放大电路，如何分析，希望能得到你的正解。

只看该作者 · 2017-8-21 18:12

gmchen 发表于 2017-8-20 21:02
没有查到TL6011，是不是LT6011的笔误？
对比LT6011和OPA2335、OPA376，AD8629几个运放，都差不多，输入失 ...

今天又查了一些资料，个人感觉失调电流这个指标是否更为关键，因为失调电流直接导致输出信号的失真。是否这样，请帮我确认一下，谢谢。

只看该作者 · 2017-8-21 20:38

muzimaye 发表于 2017-8-21 18:12
今天又查了一些资料，个人感觉失调电流这个指标是否更为关键，因为失调电流直接导致输出信号的失真。是否 ...

很可能是这样，因为你的第一级电路明显是一个跨阻放大器。所以要求运放的偏置电流小，当然失调电流也是越小越好。

只看该作者 · 2017-8-21 20:42

按照失调电流的要求，你提出的4种运放，可能OPA376是最合适的。

只看该作者 · 2017-8-22 11:24

gmchen 发表于 2017-8-21 20:42
按照失调电流的要求，你提出的4种运放，可能OPA376是最合适的。

参考电源也就是Vref，选用REF5025，需要不需要后面加一级1:1运放做驱动。经常看到一些参考电路中，参考电源通过OPA350做驱动输出。

只看该作者 · 2017-8-22 20:53

muzimaye 发表于 2017-8-21 18:10
关于U2是那种放大电路，如何分析，希望能得到你的正解。

U2是反相运放，正相端加了一个直流偏置而已。关于反馈网络上电容C4的作用，你可以百度一下，网上很多。输出端R3的作用：容性负载与运算放大器的开环输出电阻一起作用能使输出电压的相位滞后。这种增大的相移减小了反馈电路的相位裕度，可能引起振荡。一段没有端接的同轴线缆就是典型的容性负载。为解决这种不稳定性，可以在输出端串联一个小阻值电阻来对输出电阻进行去耦，并应用一个小的反馈电容增加一个高频通路，补偿负载电容引起的相位滞后。如果频率很高时，铁氧体磁珠是很好的替代物。

1万 · 2017-8-23 09:53

应当说，楼主其实已经比较清楚了。
只有左侧电路最难理解，但5L的链接**很不错，理解一下照做就行了。

1、中间运放就是I/V转换，电流转换系数等于 -i*（R15+R17）。单电源，运放输出应为 2.5v - i*（R15+R17）。
2、右侧运放就是普通的反向放大，调理，使输出电压满足后级电路的需要，Vo=k*Vi+b。无所谓好坏，需要就用，不需要就扔掉吧。
3、就是因为单电源条件，没什么特殊的。
4、电路似乎不能测量47.5uA，应当只能测到一半。不过这不重要，修改下参数，比如降低转换电阻值，或者升高供电电压。

被测电流很小，所以中间运放要选择低失调电流（Ib），失调电压大点不要紧。
好在uA级别的被测电流，已经比较大，Ib在百nA的运放就够，很多。

1万 · 2017-8-23 09:56

muzimaye 发表于 2017-8-22 11:24
参考电源也就是Vref，选用REF5025，需要不需要后面加一级1:1运放做驱动。经常看到一些参考电路中，参考电 ...

负载不重，不需要加驱动。

只看该作者 · 2017-8-23 15:42

本帖最后由 muzimaye 于 2017-8-23 15:49 编辑

玄德发表于 2017-8-23 09:53
应当说，楼主其实已经比较清楚了。
只有左侧电路最难理解，但5L的链接**很不错，理解一下照做就行了。

几个疑点，烦请解答一下：
1、由于每次传感器进入工作状态，都需要大量的时间等待负反馈调节完毕，所以在不使用的时候将Ref和Sense端短接以减短负反馈调节的时间。
关于负反馈的调节需要一个时间，这一点不太理解？

2、在参数设置中，为了使运放的两输入端负载匹配，则有R35=R34//(R36+R37//RS3)≈R34=10,根据该等式，是否在图中U4B中，是否在正向端也要加入一个匹配电阻，这个值为47Ω？
在放大倍数的调节中，47Ω的R15这个电阻与放大倍数有没有关系？在有些电路的分析中，放大倍数是反馈电阻除以47Ω的这个电阻。

3、去参考电平电路比较复杂，也是比较难理解部分，如下内容想重点请教。在输出电压V的计算公式中，本来想截图实在输入不了，VO=2.5-((2.5-V*R38/R40)/R39)*(R39+R41)=5V-12.5中，对V*R38/R40不理解，不知道是不是V*R40//(R38+R40)，我理解应该是R40上的分压值。如果是这样，就会影响后面的计算结果。

4、在我画的图中，原来参考电路在47k电阻旁边有一个可调电阻，但实际的评估板没有装焊，我将其去掉了，这个对放大倍数有一定的影响。前面47Ω的电阻如果不考虑，I/V转换的放大倍数就会超标。同一个电路，适应多种传感器，其中有一个传感器的量程在1000ppm，而灵敏度为420nA/ppm，这样最大可到420uA,如此一来，是否进入保护区了，这一点吃不准。

5、在文中后面部分，如下内容，明显如图中对应不起来，是否应为R38=R39; R40=R41?

只看该作者 · 2017-8-23 15:50

欢迎其它朋友一起讨论解答。

只看该作者 · 2017-8-23 16:04

muzimaye 发表于 2017-8-19 23:11
根据查到的资料，传感器输出电流应该远小于平常一般传感器的4-20mA, 灵敏度（Sensitivity nA/ppm at 2ppm ...

核实后，传感器的输出电流最大为470-6500uA, 确实搞错了。按照这个放大倍数的话，也会超出运放的输出最大值，是否会进入饱和态。是否考虑进47Ω的电阻后，可以解决此问题？

1万 · 2017-8-24 23:19

这样电路基本上没有问题，有一个小问题就是工作电极与参比电极为何都是2.5V，这样的是否能够工作，因为产生电化学反应电流必须在双电层间产生电位差，即是参比电极与工作电极的压差足够大才行。难道是光电池反应吗？基他的都是为了用在单电源糸统而设定的，先提升电源一半的电位，后级再用差动运算扣掉而已。CE电极以上的都是为了补偿电池的电阻效应损失的电压。