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全新高效在线工具简化 传感器信号路径设计流程
作者:美国国家半导体 Harold Joseph    来源:电子设计应用2009年第10期 
 
      

压力传感器概述

广泛应用的一款压力传感器是微机电系统(MEMS)Wheatstone电桥压力传感器,图1所示的传感器是这类器件的典型示例。

图1
电桥压

MEMS()压力传感器的性能因制造商不同而各异,但包括AllSensorsGENovaSenorMeasurementSpecialties在内的许多供应商在25时可将最大非线性控制在±0.1%以内(BFSL,最佳拟合直线)
工作温度范围内的误差要远远大于25时的误差,这对大多数电桥传感器来说是很常见的现象。图1中的传感器在工作温度范围(0~60)内的热偏移和热灵敏度误差为±0.5%(每个)。满刻度范围的偏移修整为±2.0%,这种传感器的输出电压满刻度(使用额定电源)时通常在75mV~150mV之间。一些公司还会增加一个增益设置电阻作为传感器组件的一部分,以便在传感器与差分放大器组合时校正其输出。这种配置如图2所示。放大级之后的输出容差为±1.0%

图2 带增益设置电路的压力传感器

由于
MEMS电桥传感器提供差分输出,所以可采用放大器-ADC配置使传感器的输出进入双运算放大器,然后进入差分输入ADC。另一种方法是使用仪表放大器配置和单端输入ADC。在这种情况下,第二级提供共模抑制。上述压力传感器还需要恒流电源。图3所示的电路原理图显示了带恒流驱动电路的仪表运算放大器配置。这是“WEBENCH传感器设计工具生成的典型电路原理图。

性能考虑事项

MEMS
压力传感器在比较窄的温度范围内同样具有出色的可重复性和非常好的性能。根据不同的应用,该传感器的性能可在±0.1%~±1.0%之间变化。这是在选择放大器和ADC且使其与传感器一起使用时考虑的一个重要因素。

一般来说,在传感应用中需要考虑的放大器参数是闭环带宽、增益、偏移电压
(Vos)、噪声(闪变、平带和热噪声)、共模抑制比(CMRR)及电源抑制比(PSRR)。对于ADC,需要考虑信噪比及失真(SINAD),这也表示为有效位数(ENOB)、积分非线性(INL)、微分非线性(DNL)、偏移误差、增益误差、用于校准的代码数以及采样率。评价这些参数如何影响信号路径的性能,是WEBENCH传感器设计工具的核心工作。

ADC考虑事项

在动态
ADC应用中,性能通常由SINAD决定。但在上述压力传感器示例中,传感器的输出主要是直流,规定的性能规格为总不可调误差(TUE)

TUE是偏移误差、增益误差和
INL的组合。由于传感器-放大器- ADC-处理器信号路径将会被一起校准,所以在校准过程中可消除偏移和增益误差。这使INL成为控制参数。一般情况下需要指定工作温度范围内的INL,分立的12ADCINL通常为±1LSB±1/4096,相当于工作温度范围内±0.024%的信号精度。

在低分辨率
ADC的情况下,ADC可能具有低于±1LSBINL。例如,8ADC(256个代码)INL±0.3LSB。因此,对计算8ADC的信号精度产生限制的是ADC本身而非INL。计算信号精度的一条好的经验为,如果INL大于±1LSB,则使用INL;如果INL小于±1LSB,则使用1/2n,其中nADC的位数。该网络工具会考虑这些事项。

放大器考虑事项


如前所述,针对传感器应用,需要考虑的计算器参数为闭环带宽和增益、
Vos、噪声、CMRRPSRR。在示例中,传感器是直流输出器件,而增益带宽也不是问题。该传感器具有100mV的额定输出且最后一个放大级的输出为3V~5V,具体取决于应用。这使两个放大级的总闭环增益为30V/V~50V/V

传感器
-放大器-ADC-处理器作为单个系统进行校准。可校正由于电路中的元件不匹配导致的偏移和增益误差,并校正由于放大器在25时的Vos导致的误差。

另一方面,放大器
Vos随温度的变化以及噪声将影响电路性能。典型精密运算放大器(LMP7700系列)Vos随温度的变化为±5µV/。对于30的温度变化,传感器具有±0.5%的温度偏移误差范围。由于传感器的电压范围为100mV,所以它具有±500µV的温度误差,在相同的温度范围内运算放大器的Vos±150µV,低于传感器温度偏移误差的30%。这都有可能成为重要因素。如果总体信号路径性能不能满足应用需求,则需要寻找具有更低温度变化Vos的放大器。例如,LMP7732随温度变化的Vos±0.8µV/@5V或在30温度范围内为24µV

在低频应用中,放大器噪声可能成为重要的误差源。放大器总噪声由三部分组成:
1/f噪声、平带噪声和热噪声。放大器总噪声可用以下公式表达:


计算这三部分的值可能非常麻烦费时。
1/f噪声的作用有时可以忽略,具体取决于放大器的闭环带宽。通过减少放大级的闭环增益和带宽,可限制平带噪声和热噪声的大小。减少热噪声影响的另一个因素是在设计中采用低阻值电阻。幸运的是,WEBENCH传感器设计工具会评估这些因素和其他的放大器误差来源,如随温度变化的Vos。它会评估整体电路性能,并提供电路中详细的误差来源清单。设计人员可以指定不同的整体电路性能,该程序将根据他们的不同要求来设定解决方案,设计人员也可使用详细的误差来源清单来选择不同的放大器或ADC,系统再根据他们指定的零件设定解决方案。

WEBENCH传感器设计工具

WEBENCH传感器设计工具实际上是一套网络工具,用于为最常用的传感器创建解决方案。目前,该工具主要为常见的压力传感器、称重传感器、热电耦和光学传感器提供解决方案。针对特定类型的传感器,
WEBENCH传感器设计工具可对特殊的传感应用中关键的传感器、ADC和运算放大器进行参数配置。

WEBENCH
传感器设计工具遵循一些共同的基本准则:

1.
设计人员选择传感器;

2.
设计人员根据特定的要求修改传感器;

3. WEBENCH工具创建设计
(包括电路原理图、物料清单和详细的误差分析)

4.
可以修改设计以满足特定的性能需求;

5. “建模快线
选项允许设计人员设定可用于评估和加快原型开发的解决方案。

对于压力传感器设计,设计人员可从制造商列表中选择传感器,然后根据其特定应用自定义关键的传感器参数
(见图4)

图4 WEBENCH传感器设计工具选择工具


设计人员只要确定了他们的要求,就可以创建设计。该网络工具会评估关键的运算放大器和
ADC参数并设定原理图(见图3)和物料清单。

图3 WEBENCH传感器设计工具生成的传感器信号路径


该程序还会提供模拟信号路径的误差分量
(见图5)以及25的环境温度和工作温度范围内的整体性能(见图6)

图5 详细的误差结果

图6 25℃和工作温度范围内的性能

然后可通过选择性能较高或较低的放大器及
ADC来修改设计。

设计完成后,设计人员可选择
建模快线选项(包括电路板和元件),以便验证他们的解决方案并转向原型开发。

结语
WEBENCH
传感器设计工具为传感器信号路径解决方案的制定提供直接全面的途径。它可轻松自定义设计以满足特定应用需要,并提供建模快线选项,从而让设计人员验证他们的设计结果并快速转向原型开发。

应用方案

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