目前傳感器系統(tǒng)已被廣泛用于各個(gè)主要行業(yè)，但傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)月。這是因?yàn)橐粋€(gè)傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要經(jīng)過(guò)挑選傳感器、搜尋和分析元器件（目前的系統(tǒng)需要采用許多集成電路）、評(píng)估系統(tǒng)性能、線路布局和電路板裝配以及核實(shí)設(shè)計(jì)與建模等過(guò)程。日前，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）推出了可配置的傳感器模擬前端電路可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在極短的時(shí)間內(nèi)即可完成高集成度傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
NS精密信號(hào)路徑產(chǎn)品部副總裁James Ashe表示，以往設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器系統(tǒng)，需要幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間，而采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的新產(chǎn)品和設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)時(shí)間則可縮短至幾分鐘。
器件特點(diǎn)
NS推出的這兩款可配置的傳感器模擬前端(AFE)IC的型號(hào)為LMP90100和LMP91000，兩款產(chǎn)品都采用了NS的獨(dú)創(chuàng)技術(shù)，并獲得多款全新設(shè)計(jì)工具的支持，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要采用這兩款可配置的傳感器模擬前端電路，即可利用該公司W(wǎng)EBENCH傳感器模擬前端電路設(shè)計(jì)工具(WEBENCH Sensor AFE Designer)完成傳感器信號(hào)路徑設(shè)計(jì)。換言之，工程師可以利用這套設(shè)計(jì)工具挑選傳感器，進(jìn)行設(shè)計(jì)，配置解決方案并將配置參數(shù)下載至傳感器模擬前端電路。目前一個(gè)典型的傳感器應(yīng)用需要數(shù)塊電路板及多達(dá)25顆元器件，而采用NS的方案，則只需一顆芯片即可，設(shè)計(jì)時(shí)間則可縮短至幾分鐘。
James Ashe說(shuō)，這兩款芯片各有特點(diǎn)，適用于各種不同的傳感器系統(tǒng)及應(yīng)用領(lǐng)域，這些特點(diǎn)包括可編程的電流源、自選參考電壓、診斷功能、偏移/增益校準(zhǔn)、以及可調(diào)整的采樣率?？膳渲霉δ苣軆?yōu)化設(shè)計(jì)以確保符合特定終端應(yīng)用的要求。
圖1，LMP90100應(yīng)用案例框圖（壓力傳感器及熱電阻溫度傳感器）
NS WEBENCH傳感器模擬前端電路設(shè)計(jì)工具兼容多種技術(shù)規(guī)格，可以支持?jǐn)?shù)百款溫度、壓力及化學(xué)傳感器，例如，RTD(熱電阻溫度傳感器）、熱耦傳感器、壓力傳感器、稱重傳感器和氣體傳感器等。并為傳感器信號(hào)路徑配置有關(guān)參數(shù)，傳感器驅(qū)動(dòng)電流、參考電壓、增益、采樣率、警告?？梢约涌旖Ｔu(píng)估，即評(píng)估電路性能和設(shè)置診斷參數(shù)(開路、短路、信號(hào)電平) 、儲(chǔ)存配置數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)可通過(guò)硬件接口使用離線版設(shè)計(jì)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，從而縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，加快建模評(píng)估。工程師還可利用離線測(cè)試系統(tǒng)將設(shè)計(jì)的配置參數(shù)下載到傳感器模擬前端電路，將傳感器置入系統(tǒng)后，即可進(jìn)行仿真測(cè)試。其數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了 Omega Engineering.、Honeywell Sensing & Control、Tempco Electric Heater及All Sensors 等公司的眾多傳感器產(chǎn)品。
在開發(fā)系統(tǒng)中，通過(guò)置入傳感器，載入配置數(shù)據(jù)，評(píng)估信號(hào)路徑性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)，即可完成整個(gè)傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
技術(shù)規(guī)格
James Ashe稱，LMP90100芯片是業(yè)界首款可真正連續(xù)校準(zhǔn)背景信號(hào)并做出診斷的24位、多通道、低功耗傳感器模擬前端電路，適用于高性能收發(fā)器及變頻器系統(tǒng)。NS專利的背景信號(hào)校準(zhǔn)技術(shù)可以有效消除隨著時(shí)間及溫度變化而出現(xiàn)的漂移，并在不干擾被側(cè)信號(hào)的基礎(chǔ)上，確定偏移及增益誤差。
LMP90100除了內(nèi)置24位的 Sigma-delta ADC外，還采用靈活的輸入（多路復(fù)用器）配置，因此可以支持任意比例的差分或單端輸入。每個(gè)傳感器的信號(hào)增益（包括1、2、4、8、16、32、64和128）、采樣率及診斷參數(shù)均可編程，該芯片還提供兩個(gè)匹配的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)傳感器的驅(qū)動(dòng)。LMP90100芯片的平均耗電低于平均值0.7mA，在 -40 ºC? +125 ºC的溫度范圍內(nèi)可確保正常工作，上述特性可使這款芯片理想地用于溫度收發(fā)器或 4mA ? 20mA系統(tǒng)。
LMP91000芯片是業(yè)界首款可全面配置的低功耗恒電位儀，可在傳感器與ADC間提供一個(gè)高度集成的完整信號(hào)路徑。這款可配置的模擬前端電路適用于微功耗的化學(xué)物質(zhì)及氣體檢測(cè)應(yīng)用，如三極單一氣體傳感器及雙端氧氣傳感器等。LMP91000芯片測(cè)量恒電位儀中的電流，其大小與測(cè)量氣體的含量成正比。通過(guò)跨阻抗放大器，LMP91000生成與這一電流成正比的輸出電壓，從而推算出氣體含量。LMP91000允許用戶通過(guò)I2C兼容接口自行設(shè)置跨阻抗增益值， 因此能夠支持對(duì)含量介于0.5nA/ppm與9.5nA/ppm間的有毒氣體作出靈敏反應(yīng)。此外，LM91000的功耗極低，因此適用于電池供電系統(tǒng)以及4mA?20mA的收發(fā)器系統(tǒng)。這款芯片的恒電位儀電壓和輸出增益都可根據(jù)設(shè)計(jì)要求自行設(shè)置，這令工程師可以探測(cè)更多的氣體種類，或者探測(cè)不同的氣體濃度，并確保設(shè)備的總系統(tǒng)電流損耗可低至1 0µA（平均值）。工程師也可通過(guò)I2C接口驗(yàn)證傳感器性能，而內(nèi)置的溫度傳感器則可提供附加輸出，以進(jìn)行溫度監(jiān)控。LMP91000芯片的工作電壓范圍在2.7V?5.5V之間。
應(yīng)用案例
圖1是壓力傳感器及熱電阻溫度傳感器的應(yīng)用案例。James Ashe一再表示，NS的設(shè)計(jì)理念就是“簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)”，幫助客戶縮短研發(fā)時(shí)間，加速產(chǎn)品的上市。今后NS還要推出面向各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的創(chuàng)新型、低能耗以及高效率產(chǎn)品和解決方案。