對(duì)于需要激勵(lì)以產(chǎn)生可測(cè)量輸出的有源傳感器，工程師可以轉(zhuǎn)向提供所需電流或電壓水平的各種選項(xiàng)。從基于運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單激勵(lì)電路到高度集成的多功能IC，可用選項(xiàng)包括來(lái)自制造商的一系列器件，包括凌力爾特公司，Microchip技術(shù)公司和德州儀器公司等。由于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的快速增長(zhǎng)的興趣所推動(dòng)（IoT），傳感器子系統(tǒng)構(gòu)成了許多設(shè)計(jì)的核心，這些設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)將在薄膜電池和能量收集技術(shù)上運(yùn)行多年。然而，為了進(jìn)行可靠的測(cè)量，許多基于電阻的傳感器，如熱敏電阻，電阻溫度檢測(cè)器（RTD），應(yīng)變計(jì)等都需要從電流或電壓源激勵(lì)以產(chǎn)生電輸出。

激勵(lì)電流源輸出RTD的電壓與器件的電阻成正比。雖然使用高激勵(lì)電流會(huì)表明電壓輸出更大，但RTD電阻會(huì)隨著溫度從較高電流上升而增加。相反，熱敏電阻的電阻隨著溫度從類似的自熱效應(yīng)上升而下降。除了這些類型之外，其他傳感器（例如霍爾效應(yīng)傳感器）也表現(xiàn)出隨施加的激勵(lì)而顯著變化的性能特征。因此，有源傳感器通常需要在嚴(yán)格的限制范圍內(nèi)保持激勵(lì)，以確?？煽康臏y(cè)量和最小的非線性。

工程師可以使用可用的電流源IC（如德州儀器REF200）和基本運(yùn)算放大器構(gòu)建簡(jiǎn)單的激勵(lì)電路，例如TI OPA188（圖1）。通過(guò)這種方法，工程師可以使用由電流源IC產(chǎn)生的兩個(gè)匹配激勵(lì)源，在所需傳感器測(cè)量范圍的低端將運(yùn)算放大器的輸出電壓調(diào)整為零。

圖1：基本運(yùn)算放大器（如德州儀器OPA188）和電流源（如TI REF200）的組合提供了一個(gè)傳感器激勵(lì)電路，可以調(diào)節(jié)為在RTD所需比例的低端提供0 V輸出溫度傳感（由德州儀器提供）。雖然這種基本方法可以滿足各種簡(jiǎn)單的傳感器激勵(lì)要求，但是使用單獨(dú)的源可能會(huì)使傳感器系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換路徑的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化傳感器電路，設(shè)計(jì)人員可以將其電路配置為使用一個(gè)電壓源來(lái)傳感器和信號(hào)路徑。在采用比率測(cè)量技術(shù)的這種方法中，相同的電壓源既可用作傳感器的激勵(lì)，也可用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的參考電壓。

比率測(cè)量提供傳感器，而不是提供輸出作為絕對(duì)電壓測(cè)量值是傳感器輸出電壓和電源電壓的比值。比例方法無(wú)需外部電壓參考IC，從而降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。此外，比率測(cè)量可以降低電源電壓變化的影響，這些電壓變化可能受到能量輸出波動(dòng)的環(huán)境源驅(qū)動(dòng)的能量收集設(shè)計(jì)的影響。實(shí)際上，對(duì)傳感器激勵(lì)和ADC使用相同的參考只是消除了功率電平的變化。

工程師可以使用高分辨率ADC（如Microchip Technology MCP3551 ADC）來(lái)應(yīng)用這種方法。 MCP3551是一款22位Σ-Δ型ADC，具有差分輸入，設(shè)計(jì)用于連接引腳VREF的外部參考電壓。在比率設(shè)計(jì)中，VREF與VDD相連，VDD也可作為電橋的激勵(lì)電壓源（圖2）。設(shè)計(jì)人員可以使用高分辨率MCP3551直接數(shù)字化傳感器輸出，無(wú)需額外的外部信號(hào)調(diào)理電路，從而最大限度地降低功耗和電路占板面積。

圖2：對(duì)于某些應(yīng)用，工程師可以使用比率測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，這些技術(shù)使用相同的電壓源進(jìn)行傳感器激勵(lì)和ADC參考。這種方法需要一個(gè)ADC，例如Microchip MCP3551，它使用外部精密電壓基準(zhǔn)或允許工程師禁用內(nèi)部連接到ADC電路的片上精密基準(zhǔn)電壓（由Microchip Technology提供）。

設(shè)計(jì)人員還可以構(gòu)建傳感器激勵(lì)使用比例式設(shè)計(jì)的MCU的功能。使用Microchip Technology PIC16C774，工程師可以構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的激勵(lì)電路，其中一個(gè)MCU的內(nèi)部參考電壓的緩沖輸出提供激勵(lì)電壓。來(lái)自橋式傳感器的差分輸出進(jìn)一步緩沖，濾波并傳送到MCU的片上ADC（圖3），以提供具有傳感器激勵(lì)的完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案。

圖3：設(shè)計(jì)人員可以使用高度集成的MCU（如Microchip Technology PIC16C774 MCU）來(lái)提供傳感器激勵(lì)和測(cè)量，并使用最少的外部元件進(jìn)行緩沖，放大和濾波（由Microchip Technology提供）。需要大量的信號(hào)調(diào)節(jié)來(lái)降低噪聲，增加動(dòng)態(tài)范圍，并補(bǔ)償傳感器的非線性。對(duì)于這些設(shè)計(jì)，先進(jìn)的模擬前端（AFE）信號(hào)調(diào)理器IC將信號(hào)處理功能與傳感器激勵(lì)功能相結(jié)合。德州儀器（TI）LMP90080信號(hào)調(diào)理器IC集成了兩個(gè)匹配的可編程電流源，能夠提供100至1，000μA的電流來(lái)激勵(lì)RTD和橋式傳感器（圖4）。

圖4：德州儀器（TI）LMP90080 IC將完整的傳感器信號(hào)調(diào)理功能與一對(duì)電流源IB1和IB2相結(jié)合，能夠在基于傳統(tǒng)PT-100設(shè)備的三線RTD電路等設(shè)計(jì)中提供100至1，000μA的傳感器激勵(lì)（禮貌）對(duì)于霍爾傳感器，傳感器激勵(lì)變得更加復(fù)雜，霍爾傳感器在存在磁場(chǎng)的情況下產(chǎn)生輸出電壓。這些傳感器用于智能電表中的接近感應(yīng)和電流感應(yīng)等各種應(yīng)用，其磁靈敏度與施加于其上的激勵(lì)電壓成正比。在典型設(shè)計(jì)中使用標(biāo)稱激勵(lì)電壓，霍爾傳感器本身可能消耗毫安電流，這對(duì)于在緊湊的功率預(yù)算下的能量收集設(shè)計(jì)而言是不可接受的功率要求。因此，需要在能量采集設(shè)計(jì)中使用霍爾傳感器的工程師可能只是希望降低激勵(lì)電壓以降低電流。不幸的是，激勵(lì)的顯著降低意味著傳感器靈敏度的相應(yīng)降低。

一種在降低傳感器能耗的同時(shí)保持整體設(shè)計(jì)靈敏度的方法建立在超低功耗器件上，例如凌力爾特公司的LT1790微功率基準(zhǔn)，LT1782運(yùn)算放大器和LT6011精密運(yùn)算放大器（圖5）。這里，LT1782緩沖LT1790基準(zhǔn)電壓源的衰減輸出，將勵(lì)磁電流降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然傳感器靈敏度相應(yīng)降低，但配置為儀表放大器的LT6011運(yùn)算放大器提供了一個(gè)數(shù)量級(jí)的增益補(bǔ)償，有效地為整體設(shè)計(jì)提供了相同的靈敏度，但功耗水平大大降低。

圖5：使用超低功耗IC可以保持整體設(shè)計(jì)靈敏度，提高傳感器輸出以補(bǔ)償較低的傳感器激勵(lì)水平（由Linear Technology提供）。

適用于寬溫度的霍爾傳感器應(yīng)用變化，諸如德州儀器DRV411之類的設(shè)備提供了集成解決方案。與用于RTD傳感應(yīng)用的TI LMP90080一樣，TI DRV411將完整的信號(hào)調(diào)理路徑與集成的傳感器激勵(lì)功能相結(jié)合。 DRV411專為減少偏移和漂移而設(shè)計(jì)，可提供隨溫度變化的激勵(lì)電流，以將霍爾傳感器的靈敏度保持在恒定水平。為了進(jìn)一步提高精度，該設(shè)備采用自旋電流法，其中激勵(lì)電流在正交方向旋轉(zhuǎn)，傳感器輸出平均以抵消偏移并降低1/f噪聲。

結(jié)論

使用電壓或電流激勵(lì)源對(duì)于有源傳感器（如RTD，橋傳感器和霍爾元件）的正常運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)于基本要求，工程師可以使用運(yùn)算放大器構(gòu)建合適的激勵(lì)電路，或采用比率測(cè)量方法來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。對(duì)于更復(fù)雜的要求，高度集成的設(shè)備提供復(fù)雜的激勵(lì)功能，旨在提高測(cè)量精度。對(duì)于工程師而言，廣泛的可用IC和設(shè)計(jì)方法為低功耗能量采集設(shè)計(jì)中的傳感器激勵(lì)提供了現(xiàn)成的解決方案。