传感器模拟前端设计

电路

那些有传感器信号路径设计需求的客户发现自己正处在十字路口，他们有两条路可以选择，一条简单，一条困难。目前，客户们大多利用传统的模拟手段来解决信号路径问题，但这通常需要数周甚至数月的设计时间。在初始方案设计完成之后，客户一般还需进行测试和调试，而这又要花费数周的时间。通常，在完成该设计流程后，客户还需编写自己的系统算法，希望借此令其产品在市场中脱颖而出。应对信号路径挑战的解决方案之一就是传感器模拟前端电路（Sensor AFE）。

并不是说传感器模拟前端电路（Sensor AFE）意在解决所有传感器的信号路径设计需求，发明一种器件能满足所有传感器的需求显然是不现实的，这样的器件必然会在满足传感器的特殊应用需求上有所折扣。例如，收发器温度收发器常用于工业领域，在1～20mA回路终端，因此需要功耗极低的解决方案。为此相对而言，带宽、速率和噪声等就不是其关键性的性能参数。适合该领域的解决方案需要1～200s/s间的可变采样速率，7μVrms的噪声水平，以及不大于4mA的消耗电流。而如果是需要快速测量出运动物体重量的电子秤，则需要采样速率高达4000s/s。同样，当电子秤的输入动态范围越大时，它需要的噪声水平也就越低，最低可至15nVrms。美国国家半导体的传感器模拟前端电路将传感器信号路径市场细分为一系列传感器应用。对于温度传感器或电子秤等特殊的传感器应用，传感器模拟前端电路是其最优化的解决方案。

图1
LMP90100传感收发器模拟前端电路
传感器模拟前端电路满足了传感器信号路径所需的技术规格要求，此外，还可通过串行外设接口（SPI）或I2C总线进行编程。其可编程特性，令其能在最大程度上满足特定的传感器应用需求。例如，当某场合需要使用热电偶获得更大的温度范围时，更大的温度范围将意味着输出电压会随着测量温度的不同而变化很大。此时，如果能够动态调整信号路径增益对系统设计者而言很有意义。LMP90100即可实现此功能，它适用于高精度、低功耗的传感收发器应用。LMP90100内置用户可编程的增益放大器，其增益范围从1x到128x。当系统设计者选择更高增益时，则可更好地利用集成的24位ΣΔ模数转换器（ADC）的输入动态范围，从而提高系统整体性能和精度。此外，LMP90100传感器模拟前端电路的输入配置是可编程的。例如，一些不同类型的温度传感器的配置要求不同，为满足这一需求，LMP90100等传感器模拟前端电路具有完全可编程的输入多路复用器（MUX），允许对8个可用输入引脚随意配置。LMP90100的其他可编程特性包括可编程电流源、多个电压参考选项以及可调的采样率。

图2
LMP90100的3线RTD配置
除软件可编程外，传感器模拟前端电路产品还可以对传感器的“健康状况”进行诊断，这对于传感器与负责监控的中央控制器相隔数百甚至数千米的应用场合非常有用。例如，在食品加工厂等应用中，必须保证某些工艺环节是在特定温度或压力水平下进行的，以保证产品质量。中央控制器需要周期性地监控传感器的“健康状况”，以确保它们收集的信息是正确的。借助LMP90100，电流源即可提供所需的传感器诊断功能。当传感器故障开路时，电流源就会使输入节点浮动到正的电源轨，示意出开路故障。当传感器短路时，电流源就会产生一个小幅值信号，通过将该信号与用户可编程的电平比较，可以测试短路或将近短路的情况。由于短路阈值是可编程的，所以可对濒于故障的传感器进行检测。其他的传感器诊断技术还包括通过微调特定传感器模拟前端电路的配置，监控传感器的输出响应。例如，有毒气体传感器模拟前端电路LMP91000即可调整有毒气体传感器的偏置电压。调整偏置电压可以改变特定气体传感器的灵敏度，通过调整传感器的灵敏度，中央控制器就可以检测出传感器输出变化相对于偏置电压变化是否匹配。如此，即可在故障发生前，更换那些已经损坏或即将损坏的传感器。传感器诊断和健康状态测试等特性同样为硬件/系统设计师提供了一条更加简单的设计途径，便于他们克服应用挑战。

图3 LMP91000有毒气体传感器模拟前端电路
传感器模拟前端电路还提供一些适用于具体应用的特性，包括多种节电模式和连续背景校准。节点模式尤其适用于便携式电子设备和4～20mA回路的传感收发器节点。例如，LMP91000即设计用作便携式有毒气体检测器。为确保更长的传感器导通时间常数，便携式有毒气体检测器不会完全掉电，为此多种工作模式并存就变得非常重要。这些工作模式包括有毒气体传感器在监控下，并当功耗为10μA的正常工作模式以及传感器加设了偏置电压但尚未进行实际测量的待机模式。在待机模式中，功耗通常为6μA，这也使得其恢复时间仅为秒量级，而不是小时量级。类似于气体检测器，因为直接自回路供电，传感收发器节点也需要更低功耗，整个信号路径功耗需要低于4mA。为此，需要为每个传感器选择最优的采样率，如果一个传感器仅需要1s/s的采样率，而另外一个传感器需要200s/s，则LMP90100可以允许每个信号路径工作在某一采样率，而不受其他通道采样率的影响。此外，可以关断内部时钟源和电流源等不必要的器件，以使功耗降至最低。

在必须同时检测多个传感器的应用中，传感器模拟前端电路有其独特优势。例如，在更宽的工作温度范围内精确监控压力时，相对于传统设计方案，LMP90100具有其设计优势。首先，具有灵活输入多路复用器的LMP90100可以接收多个传感器的模拟输入，而定制设计方案要求每个传感器具有独立的信号路径。此类应用的另一个挑战是每个传感器需要具有不同的信号电平。压力传感器可能只有20mV的满量程输出范围，而温度传感器则可能有几伏的满量程输出范围，也可以利用LMP90100 1～128倍、步长为2倍即6dB的可编程增益选项解决该问题。其他应用需求包括给传感器加设偏置电压和为模数转换器提供参考电压等。对于LMP90100，片上电流源可用于为传感器加设偏置电压，其参考多路复用器可用于为24位模数转换器选择两个不同的参考电压。对于定制设计，必须使用外部电路为传感器加设偏置电压并为模数转换器提供参考电压。参考多路复用器还具有其他特性，包括可测量模数转换器参考电压对传感器偏置电压的比值，及在噪声环境中提供优异的系统性能。在定制设计中可以利用分立元件实现该性能，但需要额外的板上空间及微控制器通用输入输出（GPIO）线。最后，由于测量是在较宽的工作温度范围内进行的，传统的信号路径解决方案必须在整个工作温度范围内设定好。对于LMP90100，从传感器输出到微控制器输入的信号路径是自校正的，不随温度或时间漂移，这意味着系统信号路径中电子器件的增益和偏移不需要在数字域进行监测或修正。

图4

相对传统设计，另一个传感器模拟前端电路可以发挥巨大优势的多传感系统应用是在需要用同一仪器设计感应多种不同气体的有毒气体检测器时。有些有毒气体传感器在特定气体中会发生氧化反应，而其他传感器可能发生还原反应。传统的解决方案要求能够调节用于测量流经传感器电流的跨导放大器（tiA）的偏置电压。对于电流流出传感器工作电极（WE）时的还原反应，偏置电压需要设定为正参考值，以防止电流变大时TIA的输出在近地附近限幅。氧化反应下，电流会流入传感器的工作电极，为此偏置电压需要设定在地附近，以防止TIA的输出在正电源附近饱和。这可以通过几种定制的分立式设计方式实现，一种方案是采用双极性电源，它在地附近为TIA的输入加设偏置电压，使其可以在任一方向上变化。另一种方案是针对特定类型的有毒气体传感器，利用外部数模转换器（DAC）或模拟开关改变从地附近到正电源电压附近的偏置电压。此外，还有一种备选方案是采用LMP91000，它针对TIA输入集成了可编程偏置电压，该方法可以以单一正电源电压为两类化学反应正常供电。有毒气体检测器的另一个设计挑战是需要检测电流的动态范围。一些有毒气体传感器的满量程范围为600μA、灵敏度为10nA/10-6，而其他的传感器满量程范围可能为10μA、灵敏度为1nA/10-6。解决这一问题同样有多种解决方案。为了在宽电流范围内提供足够的测量分辨率，相对于传统的12位模数转换器，定制方案需要16或24位高分辨率模数转换器，它虽然在整个电流范围内确保了所需的分辨率，但数模转换器的成本大幅提高。另一个选择是利用模拟开关切换不同的反馈电阻值，以改变TIA的增益，这样就能使用12位模数转换器并更好地利用模数转换器的动态范围获得所需的性能。LMP91000内置从2～375kΩ的可编程反馈电阻和可切换到外部反馈电阻的性能选项从而解决了这一难题。最后，有些应用还要求控制有毒气体传感器工作电极（WE）与参考电极（RE）之间的电势差，有些传感器如一氧化碳传感器需要零偏置电压，即要求RE和WE在相同的电位上。而有些气体传感器如一氧化氮传感器需要正偏置电压，另外一些传感器则需要负偏置电压，定制设计可以通过综合利用模拟开关、多种参考电压和/或模数转换器而实现。LMP91000通过提供从+24%的VREF到-24%的VREF的可编程偏置电压得以解决这一问题。

图5 LMP91000的不同化学反应
传感器模拟前端电路产品配套了各种软硬件开发工具，利用这些开发工具，系统设计者可以了解传感器模拟前端电路如何满足传感器信号的需求。首先，软件工具为系统设计师提供了了解特定的传感器模拟前端电路产品的友好用户环境。当启动软件时，会一并开启一个向导索引，该索引包含了一个介绍有关器件特点和性能的短片以让系统设计师明白工具的功能特点。当用户完成或跳过软件向导，系统设计师即可从传感器数据库选择连接到传感器模拟前端电路的传感器。例如，选用面向精密、低功耗传感收发器设计的LMP90100，用户可以从多种温度传感器（如热电偶、RTD、热敏电阻和模拟温度传感器）、压力传感器和负载单元中进行选择。如果所选的特定传感器不在列表中，设计者可以手动将传感器添加到数据库中。一旦选定了某传感器，传感器模拟前端电路就会针对该传感器自动配置。此时，用户被引导到传感器模拟前端电路框图，他们可以研究器件特性及如何针对该传感器进行配置。帮助栏将引导设计者浏览传感器模拟前端电路的可编程单元。用户也可以通过将鼠标悬停在特定单元上获取所有可编程单元的详细说明。除可以自动对所选的传感器进行配置外，该软件工具还可针对特定配置提供器件的性能评估功能。如果更改了任何器件配置，如增益或采样率，性能评估表会自动更新并显示出新的器件性能。该软件工具的设计目的是为系统设计师提供一个无须阅读冗长的数据表，即可了解如何使用某部件满足所需的方式。

图6 虚拟器件导览与传感器选项

利用SPIO-4基于USB的数据采集板，所有配置均可轻松地在几秒内传到传感器模拟前端电路评估板上。只要使用合适的开发硬件，系统设计师即可转入测量选项卡，此时，他们可以对比实际测量的数据和估计的数据值。由于一些传感器模拟前端电路如LMP90100具有多路输入，可以同时监测数个传感器。系统设计师也可以监测电压、模数转换器输出情况或传感器专用性能指标（如温度传感器的摄氏或华氏温度）等系统性能，利用传感器数据库中的数据，该开发工具为用户带来这一功能。此外，其统计数据也可以涵盖被收集的数据，所有数据可以采用模拟示波器截屏的时间域或柱状图的形式显示。开发工具是传感器模拟前端电路帮助系统设计师轻松完成其硬件开发而提供的另一选择。