基于CMOS管的低电压电流型惠斯通电桥InternationalJournalofElectricalandElectronicsEngineering5:12011ALow-VoltageCurrent-ModeWheatstoneBridgeusingCMOSTransistors译者QQ:2469464828摘要：本文提出一种可适用于低电压集成电路中应用的新型惠斯通电桥，与其他惠斯通电桥相比，该电桥具有元件数量大量减少，低电源电压（1V），低功耗（<350ｕW），线性度误差小于4%，可在单一电源下使用多个传感器等特点。该电路使用ＭＯＳＦＥＴ管，可用于普通ＣＭＯＳ制造上。在ＨＳＰＩＣＥ的模拟仿真结果显示：该电路具有良好的性能，可确定其设计思路的正确性。关键词：惠斯通电桥，电流型，低电压，ＭＯＳ一引入惠斯通电桥广泛应用于对温度，压力，力，位移，湿度等物理量的测量仪器仪表中。电压型惠斯通电桥（ＶＭＷＢ）。在测量电阻微小变化量的准确度上提供了一个较好的方法。近年来，基于电路双重性理论【1】提出的电流型惠斯通电桥（CMWB）作为传统的电压型惠斯通电桥（ＶＭＷＢ）的一种替代电路，它具有以下几个优点【2】：1。不需要增加信号处理电路便可加入新的测量量（应用叠加定理），2。由于电路中减少了传感无源元件的数量，电路尺寸大大减少，另外由于仅使用两个电阻而电路性能没有降低，3。这种新型电流型惠斯通电桥（CMWB）提高了共模抑制，更重要的是该电路可提供较高的测量精确度。使用上述技术和二代电流传输器CCII【3】及浮动式电流传输器（OFCC）【4】的电流型惠斯通电桥（CMWB）在一些技术文献中提出。而这些ＣＭＷＢ的主要缺点是，１，额外电路导致晶体管数量大大增加并带来高功耗，２，由于使用较多电路和多余电阻用于平衡网络及电路线性要求导致电路尺寸增加，３，电路需要二个独立的电源供电，４，使用双极性二极管。本文提出的新型基于CMOS管的低电压电流型惠斯通电桥可以克服上述缺点，该电路具有灵活的电路特性，主要表现在减少电路元件数量，尺寸，并使用单一电源供电，以电流的形式输出，低电压，低功耗等方面。二惠斯通电桥的基本工作原理A电压型惠斯通电桥（VMWB）一般情况下，电压型惠斯通电桥（VMWB）用于电阻微小变量的的测量，其四个电阻连接成桥型（如图一所示）激励电压连接在电桥的一个对角线上，其输出电压从另外一个对角线上。当传感器所对应的桥臂上的一个或几个传感电阻发生微小变化时，均会在其输出电压上反应出来。一般情况下，四个电阻应选择相同，其输出电压（差分值）及其端基线性度误差如表一所示，事实上，其端基线性度误差并不是最重要的，因为端基线性度误差可有其电路内置软件进行补偿。重要的是为减少偏移量和提高灵敏度，电桥需要精确度很高的电阻去匹配所有的电阻及对冲电阻的绝对变化量。上述要求对四个或两个桥臂电阻均变化的电桥来说，实现起来相当困难，更不需谈及其电路尺寸和成本要求。我们可以使用图一d的但桥臂传感电阻的电路来解决误差和灵敏度问题。如公式S=Vref/(⊿R/R)所表示的，灵敏度（S）正比于参考电压，反比于基准电阻。为获得较高的灵敏度，需要增加参考电压并减少基准电阻值，但这会带来高电源电压及高功耗问题。图1电压型惠斯通电桥（VMWB）B电流型惠斯通电桥（CMWB）另一种设计惠斯通电桥的方法是基于电路双重性理论采用电流型惠斯通电桥来替代传统的电压型惠斯通电桥如图所示：电流型双网络四传感器电阻。其输出量为⊿I=I1-I2线性正比于电阻变化量，基于电路的双重性理论，电流型惠斯通电桥（CMWB）和电压型惠斯通电桥（VMWB）具有相同的电路性能如灵敏度，线性度及稳定性等（灵敏度正比于恒流源电流值Iref）。图2电流型惠斯通电桥（CMWB）电路输出电压或电流线性度误差（%）图1.aVout=Vref*⊿R/R0图1.bVout=Vref*⊿R/(2R)0图1.cVout=Vref*⊿R/(2R)0.5图1.dVout=Vref*⊿R/(4R)0.5图2I=I2-I1=Iref*⊿R/R0表1五种电桥性能比较三基于CMOS管的电流型惠斯通电桥的电路设计CMOS型电流惠斯通电桥的电路设计采用了一种简单的设计方法如图3所示，电流中有两个传感器电阻，一个恒流源Iref，一个运算放大器，和三个镜像电流源（分别M1M2,M3M4,M5M6组成）,两个传感器电阻的一端连在一起，另一端分别连接运放A1的同相和反相输入端，根据运放的虚短的性质可知：Vx=Vy。该部分电路可由CCII或OFCC来实现。节点X处电压的变化可在节点Y处反映出来。该电路与一些文献中提出的电流型惠斯通电桥（CMWB）相比大量减少了元器件的数量。如图三所示R1，R2为电桥的两臂，其电流I1，