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(diǎn)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(diǎn)。例如，LMP91000即設(shè)計(jì)用作便攜式有毒氣體檢測(cè)器。為確保更長(zhǎng)的傳感器導(dǎo)通時(shí)間常數(shù)，便攜式有毒氣體檢測(cè)器不會(huì)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(shí)際測(cè)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(shí)間僅為秒量級(jí)，而不是小時(shí)量級(jí)。類似于氣體檢測(cè)器，因?yàn)橹苯幼曰芈饭╇?，傳?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/收發(fā)器">收發(fā)器節(jié)點(diǎn)也需要更低功耗，整個(gè)信號(hào)路徑功耗需要低于4mA。為此，需要為每個(gè)傳感器選擇最優(yōu)的采樣率，如果一個(gè)傳感器僅需要1s/s的采樣率，而另外一個(gè)傳感器需要200s/s，則LMP90100可以允許每個(gè)信號(hào)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(shí)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(shí)檢測(cè)多個(gè)傳感器的應(yīng)用中，傳感器模擬前端電路有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。例如，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)精確監(jiān)控壓力時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，LMP90100具有其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。首先，具有靈活輸入多路復(fù)用器的LMP90100可以接收多個(gè)傳感器的模擬輸入，而定制設(shè)計(jì)方案要求每個(gè)傳感器具有獨(dú)立的信號(hào)路徑。此類應(yīng)用的另一個(gè)挑戰(zhàn)是每個(gè)傳感器需要具有不同的信號(hào)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(zhǎng)為2倍即6dB的可編程增益選項(xiàng)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(duì)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(gè)不同的參考電壓。對(duì)于定制設(shè)計(jì)，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(cè)量模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓對(duì)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(jì)中可以利用分立元件實(shí)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(cè)量是在較寬的工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，傳統(tǒng)的信號(hào)路徑解決方案必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)設(shè)定好。對(duì)于LMP90100，從傳感器輸出到微控制器輸入的信號(hào)路徑是自校正的，不隨溫度或時(shí)間漂移，這意味著系統(tǒng)信號(hào)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(cè)或修正。

圖4

相對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，另一個(gè)傳感器模擬前端電路可以發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)的多傳感系統(tǒng)應(yīng)用是在需要用同一儀器設(shè)計(jì)感應(yīng)多種不同氣體的有毒氣體檢測(cè)器時(shí)。有些有毒氣體傳感器在特定氣體中會(huì)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(cè)量流經(jīng)傳感器電流的跨導(dǎo)放大器（TIA）的偏置電壓。對(duì)于電流流出傳感器工作電極（WE）時(shí)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(shí)TIA的輸出在近地附近限幅。氧化反應(yīng)下，電流會(huì)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(jì)方式實(shí)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(duì)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(duì)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(cè)器的另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是需要檢測(cè)電流的動(dòng)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(cè)量分辨率，相對(duì)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(gè)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(gè)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(dòng)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(xiàng)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(shì)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(jì)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(shí)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。