高度集成的傳感器接口模擬前端如何簡化傳感器調理

　　傳感器用于各種消費和工業市場，從手機和平板電腦到精密檢測、距離測量、識別/圖像處理和過程儀表應用。許多這些系統集成有多個模擬傳感器，從而使得器件更加智能、高效且多產。這些傳感器可以用于檢測壓力、溫度、應力、位置、溫度、光線、液流、聲音、速度、熱等。

　　您家里的大家電所含的傳感器數可能就會讓您大吃一驚。例如，現今的洗衣機具有檢測電機電流、滾筒轉速、水位、水流、水溫、失衡、門打開/關閉，有的甚至采用觸摸傳感器按鈕進行循環控制。高效直筒式洗衣機根據每個負載中衣物的重量確定每個負載的水位。傳感器和傳感器接口技術實現了當今家電中的各種效率和安全功能。

　　模擬傳感器會產生電信號，通常非常小，夾雜著噪聲。在許多情況下，沒有兩個傳感器是一樣的，每個傳感器都攜帶它自己的獨特噪聲特點，并將它自己的偏移引入到信號路徑中。校準系統、區分信號和噪聲并對其進行放大對末端系統性能而言至關重要。模擬傳感器和數字信號處理之間是重要的電子接口，其會調理電信號，以確保它位于下游 ADC（模數轉換器）的范圍內。當今的工業系統利用多個傳感器和傳感器類型，從而形成了對傳感器調理元件的更大需求。具有多個傳感器的系統需要多個級別的校準和放大，以充分處理傳感器信號并將它們傳送到下游 ADC。我們的電子儀器和器件中傳感器使用的不斷擴大增加了對更靈活、成本更低的傳感器接口解決方案的需求。

　　傳感器調理功能可以通過使用多個組件的離散解決方案獲取。在許多情況下，離散傳感器接口解決方案會放棄每個傳感器輸入的可變增益或可調偏移。離散解決方案往往比集成解決方案產生更高的功耗，需要更大的空間且具有更長的設計時間。許多供應商提供有集成傳感器接口模擬前端（AFE）。大多數包括可在客戶的終端系統中復制的處理器，并且可能包括大多數應用中不需要的高水平的數字處理和存儲保護，從而增加了成本。Exar 的 XR10910 傳感器接口 AFE 提供了成本更低的集成解決方案，它在很小的占用空間內集成有高通道數和功能，功耗比競爭器件更低。XR10910 的獨特功能集相比離散或其他 AFE 解決方案提供了更大的設計靈活性。

　　XR10910–16:1 傳感器接口 AFE

　　XR10910 傳感器接口包括 16:1 差分多路復用器、可編程增益儀表放大器、10 位偏移校正 DAC（數模轉換器）和 LDO（低壓差穩壓器）。XR10910 的功能和特性由 I2C 接口控制，并且具有補充當今的微控制器（MCU）或具有嵌入式 ADC 的現場可編程門陣列（FPGA）的性能和功能集。圖 1 為 XR10910 的框圖。

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　　圖1 XR10910 框圖

　　XR10910 是市場上唯一的傳感器接口 AFE 之一，提供與 16 個差分輸出傳感器連接的能力。連接到 XR10910 的每個傳感器都具有其自身的固有偏移，如果不進行校準排查可能會降低傳感器系統的靈敏度和整體性能。板載 DAC 將偏移引入到儀表放大器中，以校準由傳感器生成的偏移電壓。16 個通道中的每一個都可以設置獨立的偏移。

　　可編程增益儀器放大器提供從 2V/V 到 760V/V 的 8 個可選增益，以放大信號從而使其落入下游 ADC 的輸入范圍內。XR10910 甚至包括集成 LDO，系統設計人員可以用它來提供給傳感器供電的穩定電壓。

　　XR10910 在 2.7V 至 5V 的電源范圍內工作，提供了一個較廣的數字電源范圍（1.8V 至 5V）。它通常消耗 457uA 的電源電流，并提供休眠模式，將電源電流降至 45uA。

　　16 位本底噪聲性能

　　Exar 的 AFE 提供 14 位信號路徑線性度，并提供低峰間值噪聲（2μVpp at G = 760）和低輸入電壓噪聲（G = 760 時為 35nV/√Hz），請參閱圖 2 和 3。XR10910 的低噪聲性能結合低偏置電流能力（最大為 100pA）使得該 AFE 能夠與各種傳感器連接并與 3V 至 5V 16 位 ADC 完美配對。

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　　圖2 輸入電壓噪聲與頻率

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　　圖3 0.1Hz 至 10Hz RTI 電壓噪聲

　　XR10910 優勢

　　●集成 MUX、DAC、PGA 和 LDO 簡化了傳感器調理應用

　　●相比大多數集成 AFE 解決方案實現了更大靈活性

　　●相比大多數集成解決方案功耗更低，相比離散解決方案功耗相同或更低

　　●易于使用的簡單的 I2C 接口

　　●6mm x 6mm QFN 封裝

　　●高通道計數簡化了電路板布局并節省了不動產占用

　　針對 16 個橋式傳感器的低功耗傳感器接口解決方案?

　　許多應力和壓力傳感器利用構建為惠斯通電橋電路的電阻元件，其通常稱為應變儀。電橋中的電阻元件根據機械應力更改阻力。應變儀傳感器通常同時用于應力和壓力測量。XR10910 是多個橋式傳感器和 ADC/MCU 或 FPGA 之間的易于使用的傳感器調理接口，如圖 4 中所示。

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　　圖4 16:1 使用 XR109101 橋式傳感器接口

　　橋式傳感器具有差分輸出信號（VO+ 和 VO-）。理想情況下，空載的橋式輸出為零（VO+ 和 VO- 是相同的）。但是，不精確的電阻值會形成 VO+ 和 VO- 之間的差異。橋式偏移電壓可能非常巨大且在傳感器之間有所不同，從而降低系統精度。XR10910 提供使用板載 DAC 校準 16 個橋式傳感器中每一個上的橋式偏移的能力。

　　XR10910 提供了與多達 16 個橋式傳感器連接的易于使用的解決方案。XR10910 僅消耗 457μA 的電源電流和僅 36mm2 的面積，為 16 個橋式傳感器提供了業界最小、功耗最低的接口。