传感器信号通道设计

电流、光信号及接近检测

概述

电流检测对于很多应用都十分关键，有两种常见的测量方法。

1.一种方法通常用于大电流检测，往往用来监测电源。典型应用包括：短路检测、瞬态检测以及电池反接检测。

2.电流检测还用于那些需要检测弱电流(低至微安级)的系统，例如：光照下能够产生极小电流的光敏二极管。典型应用包括环境光检测、接近检测以及基于光吸收/发射的化学过程监测。

这些电流检测技术都使用了电流检测放大器(具有多种配置)或互阻放大器(TIA)。以下分别讨论各种类型的电流检测放大器。

采用电流检测放大器检测电流

测量电流的技术有多种，但截至目前为止，最常见的是利用检流电阻进行测量。这种方法的基本原理是利用基于运放的差分增益级对检流电阻两端的电压进行放大，然后测量放大后的电压。虽然可以利用分立元件搭建放大电路，但集成电流检测放大器相对于分立设计具有明显优势：极小的温漂、占用极小的印制板(PCB)面积，而且能够处理较宽的共模范围。

多数电流检测设计采用低边或高边检测。在低边检测中，检流电阻与地通路相串联。电路只需处理较低的输入共模电压，输出电压以地为参考。但是，低边检流电阻在接地通路增加了所不希望的电阻。高边检测中，检流电阻与正电源电压相串联。此时负载的一端接地，但高边电阻必须承受相对较大的共模信号。

图7 电流检测信号链路框图

Maxim的高边电流检测放大器把检流电阻连接到电源的正端和被监测电路的电源输入之间。这种设计避免了接地通道的外接电阻，大大简化电路布局，有助于改善电路的总体性能。Maxim提供的单向和双电流检测IC有些带有内部检流电阻，有些采用外部检流电阻。

利用互阻放大器(TIA)检测光信号

第二种常见的电流测量技术是利用具有极低输入偏置电流的运算放大器，例如TIA，它将电流输入转换成电压输出。这种方法适用于电流非常小、波动较大的应用，例如光检测应用中光敏二极管产生的信号。

一个简单的光敏二极管就是一个非常准确的光检测传感器。光检测可以用于从基于太阳能的电源管理到精密的工业过程控制等多种不同应用。由于给定环境下，光强的变化范围很大(例如从20klx到100klx)，宽动态范围成为光信号检测的一项关键要求。MAX9635等集成方案在器件内部集成了一个光敏二极管、放大器和模/数转换器(ADC)，动态范围为0.03lx至130,000lx。

利用光敏二极管进行接近检测

接近检测的方案有多种，光敏二极管相对而言能够提供较高的精度，功耗也更低。光敏二极管受到光照时，将产生与光强成正比的电流。低输入噪声、宽带 缓冲器将该电流传递给系统的其它部分。可以选用低输入噪声放大器，例如MAX9945，提供精确的测量结果。

传感器通信接口

传感器通过模拟或数字技术传输检测信息。模拟技术基于电压或电流环;数字信息则通过CAN 及其它数据接口传输。

二进制传感器仅传输比特流。通常情况下，被测对象的“有”、“无”利用逻辑电平表示并进行传输。此外，当一个对象(例如阀门中的活塞)达到预定的临界点时，传感器能够检测到这一信息，然后通过二进制接口将信息传递给可编程逻辑控制器(PLC)系统。

由于工业环境条件恶劣，传感器接口必须高度可靠，能够承受各种误操作和EMI 。