为什么桥式传感器（Bridge Sensor）需要用到仪表放大器？

前言

桥式传感器（Bridge Sensor，也翻译为“电桥传感器”）是获取环境中物理变量（如压力、温度等）的常用器件，其输出信号微弱且易受干扰，仪表放大器（Instrumentation Amplifier，INA）正好能解决这类问题，所以两者在应用上紧密关联。

本文介绍桥式传感器的工作原理、信号特性、及其信号调理过程中的仪表放大器，最后附上一个 TINA-TI 的仿真电路。

桥式传感器的核心是惠斯通电桥（Wheatstone Bridge），它的基本结构是：四个电阻（R1 到 R4）连接成菱形，顶端连接激励，末端接地，中间是输出端：

电桥有两种状态 —— 平衡与非平衡：

TI 的应用笔记（参考资料[1]）里详细介绍了惠斯通电桥的计算，得出输出电压 Vout 和电阻变化量 ΔR 之间的各种关系。我摘录了四分之一桥、半桥、全桥的结果如下，有兴趣的话可以查看 TI 的原文：

以应力应变传感器为例，其应变片是一种电阻能随形变而变化的薄膜 —— 拉伸时电阻增大，压缩时减小。多个应变片贴于传感器上，形成惠斯通全桥。当受力形变时，电阻产生微小变化（变化率通常仅 0.1%~1%），对应输出信号也只有毫伏级：

很多 MEMS 压阻式传感器也是基于这一原理，比如 TDK 的压力传感器 C33 / C39，其内部同样是惠斯通全桥，输出信号也在毫伏级：

我们可以看到桥式传感器的特点：

于是便引出它的信号调理电路，以及对于仪表放大器（INA）的依赖。

桥式传感器的输出信号需经信号调理电路，才能实现数字化，其框图通常包含差分放大（DIFF AMP）、低通滤波（LPF）和模数转换（ADC）等三个典型步骤：

具体过程为：电桥输出微弱差分信号（比如 0 - 20mV），先由仪表放大器放大到 ADC 适配量程（比如 0 - 5V ），再经滤波器滤除特定噪声，然后由 ADC 转换为数字信号，最后传输给微控制器（MCU）做后续处理。

其中，用于仪表放大器（INA）在这里起到的作用有：

高增益低噪声：通过外接电阻调节增益，将毫伏级信号放大至伏级，满足 ADC 的量程要求；同时，在放大过程不引入额外噪声。
高共模抑制比（CMRR）：仪表放大器的 CMRR 可达 100~140dB 。比如，当共模信号为 1V 时，经仪表放大器之后，等效噪声降至微伏级，远低于差分信号；
高输入阻抗：仪表放大器输入阻抗非常大，几乎不消耗电桥电流，确保电桥输出信号的完整性，避免负载信号衰减。

另外需说明的是，现在有一些 ADC 内部集成了可编程增益放大器（PGA），看似仅用一颗芯片就完成所有工作，但内部仍包含这些信号的处理步骤，只是通过集成缩小了芯片数量与电路尺寸。

最后，我们用 TI 的 EDA 软件 TINA-TI 简单做一个电路仿真。

在这个电路里，我们用 4 个 350Ω 电阻模拟桥式传感器，仪表放大器选用 INA826，增益固定为 100 倍：

可以看到我已经在跑直流分析了，VM1 和 VM2 上的电压都是 2.5V，此时 Vout 输出是 2.505V 。

如果将 R2 减少 1Ω （模拟 ΔR 的变化），直流分析显示 Vout 输出变为 2.147V ：

图中的直流分析只保留 3位小数点。

我们做下计算验证：Vout = 2.505 + ( 5 / ( 349 + 350 ) × 349 - 2.5 ) × 100 = 2.147V

如果将 R2 增大 1Ω，再看直流分析显示 Vout 输出变为 2.861V ：

当然，这就可以跑一个直流转移特性分析（DC Transfer Characteristic…），得到如下右图：

这是一个反映了 Vout 与 R2（±ΔR）关系的曲线。

仪表放大器在桥式传感器的应用里起到关键作用，本文介绍了桥式传感器的原理、特性，以及信号调理过程，并附上了一个 TINA - TI 的仿真电路。