傳感器模擬前端

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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用的特性，包括多種節電模式和連續背景校準。節點(diǎn)模式尤其適用于便攜式電子設備和4～20mA回路的傳感收發(fā)器節點(diǎn)。例如，LMP91000即設計用作便攜式有毒氣體檢測器。為確保更長(cháng)的傳感器導通時(shí)間常數，便攜式有毒氣體檢測器不會(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控下，并當功耗為10μA的正常工作模式以及傳感器加設了偏置電壓但尚未進(jìn)行實(shí)際測量的待機模式。在待機模式中，功耗通常為6μA，這也使得其恢復時(shí)間僅為秒量級，而不是小時(shí)量級。類(lèi)似于氣體檢測器，因為直接自回路供電，傳感收發(fā)器節點(diǎn)也需要更低功耗，整個(gè)信號路徑功耗需要低于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)檢測多個(gè)傳感器的應用中，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精確監控壓力時(shí)，相對于傳統設計方案，LMP90100具有其設計優(yōu)勢。首先，具有靈活輸入多路復用器的LMP90100可以接收多個(gè)傳感器的模擬輸入，而定制設計方案要求每個(gè)傳感器具有獨立的信號路徑。此類(lèi)應用的另一個(gè)挑戰是每個(gè)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(mǎn)量程輸出范圍，而溫度傳感器則可能有幾伏的滿(mǎn)量程輸出范圍，也可以利用LMP90100 1～128倍、步長(cháng)為2倍即6dB的可編程增益選項解決該問(wèn)題。其他應用需求包括給傳感器加設偏置電壓和為模數轉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偏置電壓，其參考多路復用器可用于為24位模數轉換器選擇兩個(gè)不同的參考電壓。對于定制設計，必須使用外部電路為傳感器加設偏置電壓并為模數轉換器提供參考電壓。參考多路復用器還具有其他特性，包括可測量模數轉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)異的系統性能。在定制設計中可以利用分立元件實(shí)現該性能，但需要額外的板上空間及微控制器通用輸入輸出（GPIO）線(xiàn)。最后，由于測量是在較寬的工作溫度范圍內進(jìn)行的，傳統的信號路徑解決方案必須在整個(gè)工作溫度范圍內設定好。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(shí)間漂移，這意味著(zhù)系統信號路徑中電子器件的增益和偏移不需要在數字域進(jìn)行監測或修正。

圖4

相對傳統設計，另一個(gè)傳感器模擬前端電路可以發(fā)揮巨大優(yōu)勢的多傳感系統應用是在需要用同一儀器設計感應多種不同氣體的有毒氣體檢測器時(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，而其他傳感器可能發(fā)生還原反應。傳統的解決方案要求能夠調節用于測量流經(jīng)傳感器電流的跨導放大器（TIA）的偏置電壓。對于電流流出傳感器工作電極（WE）時(shí)的還原反應，偏置電壓需要設定為正參考值，以防止電流變大時(shí)TIA的輸出在近地附近限幅。氧化反應下，電流會(huì )流入傳感器的工作電極，為此偏置電壓需要設定在地附近，以防止TIA的輸出在正電源附近飽和。這可以通過(guò)幾種定制的分立式設計方式實(shí)現，一種方案是采用雙極性電源，它在地附近為T(mén)IA的輸入加設偏置電壓，使其可以在任一方向上變化。另一種方案是針對特定類(lèi)型的有毒氣體傳感器，利用外部數模轉換器（DAC）或模擬開(kāi)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(lèi)化學(xué)反應正常供電。有毒氣體檢測器的另一個(gè)設計挑戰是需要檢測電流的動(dòng)態(tài)范圍。一些有毒氣體傳感器的滿(mǎn)量程范圍為600μA、靈敏度為10nA/10-6，而其他的傳感器滿(mǎn)量程范圍可能為10μA、靈敏度為1nA/10-6。解決這一問(wèn)題同樣有多種解決方案。為了在寬電流范圍內提供足夠的測量分辨率，相對于傳統的12位模數轉換器，定制方案需要16或24位高分辨率模數轉換器，它雖然在整個(gè)電流范圍內確保了所需的分辨率，但數模轉換器的成本大幅提高。另一個(gè)選擇是利用模擬開(kāi)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位模數轉換器并更好地利用模數轉換器的動(dòng)態(tài)范圍獲得所需的性能。LMP91000內置從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偏置電壓，定制設計可以通過(guò)綜合利用模擬開(kāi)關(guān)、多種參考電壓和/或模數轉換器而實(shí)現。LMP91000通過(guò)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(wèn)題。