傳感器模擬前端

圖3

LMP91000有毒氣體傳感器模擬前端電路
傳感器模擬前端電路還提供一些適用于具體應(yīng)用的特性，包括多種節(jié)電模式和連續(xù)背景校準(zhǔn)。節(jié)點模式尤其適用于便攜式電子設(shè)備和4～20mA回路的傳感收發(fā)器節(jié)點。例如，LMP91000即設(shè)計用作便攜式有毒氣體檢測器。為確保更長的傳感器導(dǎo)通時間常數(shù)，便攜式有毒氣體檢測器不會完全掉電，為此多種工作模式并存就變得非常重要。這些工作模式包括有毒氣體傳感器在監(jiān)控下，并當(dāng)功耗為10μA的正常工作模式以及傳感器加設(shè)了偏置電壓但尚未進(jìn)行實際測量的待機(jī)模式。在待機(jī)模式中，功耗通常為6μA，這也使得其恢復(fù)時間僅為秒量級，而不是小時量級。類似于氣體檢測器，因為直接自回路供電，傳感收發(fā)器節(jié)點也需要更低功耗，整個信號路徑功耗需要低于4mA。為此，需要為每個傳感器選擇最優(yōu)的采樣率，如果一個傳感器僅需要1s/s的采樣率，而另外一個傳感器需要200s/s，則LMP90100可以允許每個信號路徑工作在某一采樣率，而不受其他通道采樣率的影響。此外，可以關(guān)斷內(nèi)部時鐘源和電流源等不必要的器件，以使功耗降至最低。

在必須同時檢測多個傳感器的應(yīng)用中，傳感器模擬前端電路有其獨特優(yōu)勢。例如，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)精確監(jiān)控壓力時，相對于傳統(tǒng)設(shè)計方案，LMP90100具有其設(shè)計優(yōu)勢。首先，具有靈活輸入多路復(fù)用器的LMP90100可以接收多個傳感器的模擬輸入，而定制設(shè)計方案要求每個傳感器具有獨立的信號路徑。此類應(yīng)用的另一個挑戰(zhàn)是每個傳感器需要具有不同的信號電平。壓力傳感器可能只有20mV的滿量程輸出范圍，而溫度傳感器則可能有幾伏的滿量程輸出范圍，也可以利用LMP90100 1～128倍、步長為2倍即6dB的可編程增益選項解決該問題。其他應(yīng)用需求包括給傳感器加設(shè)偏置電壓和為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供參考電壓等。對于LMP90100，片上電流源可用于為傳感器加設(shè)偏置電壓，其參考多路復(fù)用器可用于為24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇兩個不同的參考電壓。對于定制設(shè)計，必須使用外部電路為傳感器加設(shè)偏置電壓并為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供參考電壓。參考多路復(fù)用器還具有其他特性，包括可測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓對傳感器偏置電壓的比值，及在噪聲環(huán)境中提供優(yōu)異的系統(tǒng)性能。在定制設(shè)計中可以利用分立元件實現(xiàn)該性能，但需要額外的板上空間及微控制器通用輸入輸出（GPIO）線。最后，由于測量是在較寬的工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，傳統(tǒng)的信號路徑解決方案必須在整個工作溫度范圍內(nèi)設(shè)定好。對于LMP90100，從傳感器輸出到微控制器輸入的信號路徑是自校正的，不隨溫度或時間漂移，這意味著系統(tǒng)信號路徑中電子器件的增益和偏移不需要在數(shù)字域進(jìn)行監(jiān)測或修正。

圖4

相對傳統(tǒng)設(shè)計，另一個傳感器模擬前端電路可以發(fā)揮巨大優(yōu)勢的多傳感系統(tǒng)應(yīng)用是在需要用同一儀器設(shè)計感應(yīng)多種不同氣體的有毒氣體檢測器時。有些有毒氣體傳感器在特定氣體中會發(fā)生氧化反應(yīng)，而其他傳感器可能發(fā)生還原反應(yīng)。傳統(tǒng)的解決方案要求能夠調(diào)節(jié)用于測量流經(jīng)傳感器電流的跨導(dǎo)放大器（TIA）的偏置電壓。對于電流流出傳感器工作電極（WE）時的還原反應(yīng)，偏置電壓需要設(shè)定為正參考值，以防止電流變大時TIA的輸出在近地附近限幅。氧化反應(yīng)下，電流會流入傳感器的工作電極，為此偏置電壓需要設(shè)定在地附近，以防止TIA的輸出在正電源附近飽和。這可以通過幾種定制的分立式設(shè)計方式實現(xiàn)，一種方案是采用雙極性電源，它在地附近為TIA的輸入加設(shè)偏置電壓，使其可以在任一方向上變化。另一種方案是針對特定類型的有毒氣體傳感器，利用外部數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或模擬開關(guān)改變從地附近到正電源電壓附近的偏置電壓。此外，還有一種備選方案是采用LMP91000，它針對TIA輸入集成了可編程偏置電壓，該方法可以以單一正電源電壓為兩類化學(xué)反應(yīng)正常供電。有毒氣體檢測器的另一個設(shè)計挑戰(zhàn)是需要檢測電流的動態(tài)范圍。一些有毒氣體傳感器的滿量程范圍為600μA、靈敏度為10nA/10-6，而其他的傳感器滿量程范圍可能為10μA、靈敏度為1nA/10-6。解決這一問題同樣有多種解決方案。為了在寬電流范圍內(nèi)提供足夠的測量分辨率，相對于傳統(tǒng)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，定制方案需要16或24位高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它雖然在整個電流范圍內(nèi)確保了所需的分辨率，但數(shù)模轉(zhuǎn)換器的成本大幅提高。另一個選擇是利用模擬開關(guān)切換不同的反饋電阻值，以改變TIA的增益，這樣就能使用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器并更好地利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍獲得所需的性能。LMP91000內(nèi)置從2～375kΩ的可編程反饋電阻和可切換到外部反饋電阻的性能選項從而解決了這一難題。最后，有些應(yīng)用還要求控制有毒氣體傳感器工作電極（WE）與參考電極（RE）之間的電勢差，有些傳感器如一氧化碳傳感器需要零偏置電壓，即要求RE和WE在相同的電位上。而有些氣體傳感器如一氧化氮傳感器需要正偏置電壓，另外一些傳感器則需要負(fù)偏置電壓，定制設(shè)計可以通過綜合利用模擬開關(guān)、多種參考電壓和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器而實現(xiàn)。LMP91000通過提供從+24%的VREF到-24%的VREF的可編程偏置電壓得以解決這一問題。