LMP93601：用于熱電堆傳感器的高性能模擬前端

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，熱電堆傳感器的應(yīng)用日益廣泛，像建筑自動(dòng)化里的 HVAC 系統(tǒng)控制、手勢識(shí)別等。而與之匹配的模擬前端（AFE）芯片的性能，對整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)起著關(guān)鍵作用。今天咱們就詳細(xì)聊聊德州儀器的 LMP93601 這款專為熱電堆傳感器精心設(shè)計(jì)的 AFE。

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一、LMP93601 概述

LMP93601 是一款針對最大 16 x 16 的占用檢測熱電堆陣列和熱電堆質(zhì)量流量傳感器優(yōu)化的 AFE。它封裝形式為無鉛 WQFN - 24，把出色的噪聲性能、低失調(diào)電壓、高增益和低功耗等優(yōu)點(diǎn)集于一身，采樣速率也很適合熱電堆傳感器的監(jiān)測。

1.1 主要特性

• 高增益與低增益誤差漂移：增益可編程，最高能到 4096，增益誤差漂移小于 (10 ppm/^{circ }C)。這意味著在不同溫度環(huán)境下，傳感器信號(hào)能穩(wěn)定放大，測量精度更有保障。
• 低失調(diào)電壓與漂移：失調(diào)電壓僅 1 μV，漂移低至 50 nV/°C。即使在微弱信號(hào)檢測時(shí)，也能有效降低誤差。比如在熱電堆傳感器輸出信號(hào)只有微伏級(jí)別的情況下，低失調(diào)電壓能確保信號(hào)準(zhǔn)確放大。
• 低輸入偏置電流和失調(diào)電流：輸入偏置電流為 1.3 nA，輸入失調(diào)電流 120 pA。這有助于減少信號(hào)源的負(fù)載效應(yīng)，提高測量精度。
• 低噪聲性能：有效位數(shù)（ENOB）達(dá) 15.3 位，能在低噪聲環(huán)境下精確采集信號(hào)。在對信號(hào)質(zhì)量要求極高的應(yīng)用中，低噪聲性能可保證信號(hào)的真實(shí)性。
• 多輸出數(shù)據(jù)速率：有四種輸出數(shù)據(jù)速率可選，最高達(dá) 1.3 kSPS，能適應(yīng)不同的采樣需求。像快速變化信號(hào)的測量，就可以選擇較高的數(shù)據(jù)速率。
• 內(nèi)部電壓參考與 SPI 接口：ADC 有內(nèi)部電壓參考，SPI 接口傳輸速率達(dá) 20 MHz，方便與微控制器通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。
• 多種檢測功能：具備欠壓檢測、PGA 過范圍檢測等功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)電源電壓異?；蛐盘?hào)超出范圍時(shí)，能及時(shí)反饋并采取相應(yīng)措施。
• 低功耗：正常工作電流 1.1 mA，低功耗關(guān)斷模式下電流小于 (0.1 mu A)，適合對功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用。

1.2 引腳配置與功能

該芯片有 24 個(gè)引腳，不同引腳各司其職，像模擬輸入引腳負(fù)責(zé)接收傳感器信號(hào)，數(shù)字輸入輸出引腳用于與外部設(shè)備通信等。使用時(shí)需注意，所有“GND”連接（AGND、DGND 和 IOGND）都要連接到系統(tǒng)地，不能懸空，這樣才能保證芯片正常工作。

二、電氣特性與性能指標(biāo)

2.1 絕對最大額定值

使用時(shí)要嚴(yán)格遵守芯片的絕對最大額定值，比如模擬電源電壓 AVDD 范圍是 - 0.3V 到 6.0V，超過這個(gè)范圍可能會(huì)損壞芯片。

2.2 推薦工作條件

模擬電源電壓 AVDD 推薦范圍是 2.7V 到 5.5V，數(shù)字電源電壓 IOVDD 范圍是 2.7V 到 AVDD，時(shí)鐘頻率 Fclk 為 3.6 到 4.4 MHz。在這些條件下使用，芯片能發(fā)揮最佳性能。

2.3 電氣特性

包括輸入阻抗、輸入偏置電流、失調(diào)電流、增益誤差等參數(shù)。例如輸入差分阻抗為 10//7 MΩ//pF，能減少信號(hào)衰減。此外，還給出了不同條件下的噪聲性能曲線，不同的輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）和 PGA 增益下，噪聲水平會(huì)有所不同。工程師可根據(jù)實(shí)際需求，選擇合適的參數(shù)組合，以平衡噪聲和數(shù)據(jù)速率。

三、功能模塊詳解

3.1 可編程增益放大器（PGA）

PGA 輸入阻抗高，能與輸出阻抗較高的信號(hào)源（如熱電堆）完美匹配。增益可編程為 16、32、64 和 128 V/V，不同增益下最大差分輸入電壓不同。比如增益為 16 V/V 時(shí)，最大差分輸入電壓為 ±64 mV。同時(shí)，PGA 還集成了 EMIRR 濾波器，能增強(qiáng)對射頻信號(hào)的抗干擾能力，使信號(hào)更穩(wěn)定。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

16 位 Sigma Delta 調(diào)制器（SDM）將 PGA 的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為高分辨率比特流，再由數(shù)字濾波器進(jìn)一步處理。內(nèi)部產(chǎn)生的 2.4 V 參考電壓需要在 XCAP1 引腳外接高性能電容，以保證最佳性能。

3.3 可編程數(shù)字濾波器

位于 SDM 之后，可根據(jù)不同的采樣速率（如 265、530、1057 或 1326 SPS）進(jìn)行編程，它能對信號(hào)進(jìn)行濾波和抽取，降低數(shù)據(jù)速率和帶寬，同時(shí)提高分辨率，使輸出信號(hào)更平滑。

3.4 共模電壓發(fā)生器（VCM）

提供 AVDD/3 的參考電壓，可驅(qū)動(dòng)外部電容，還能用于減少 PCB 漏電。若不需要 VCM，可通過參考使能寄存器禁用它，但需外接共模電壓作為參考。

3.5 低 dropout 穩(wěn)壓器（LDO）

片上 LDO 為數(shù)字核心生成 1.2V 電壓，XCAP2 引腳需外接電容提供電源旁路。不過，LDO 不能用于驅(qū)動(dòng)外部電路。

3.6 同步串行外設(shè)接口（SPI）

通過 4 線同步接口與外部設(shè)備通信，一個(gè)典型的串行接口訪問周期為 16 位，包含 8 位命令字段和 8 位數(shù)據(jù)字段。通過 SPI 可配置芯片的各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活控制。

四、應(yīng)用案例與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 典型應(yīng)用

在 HVAC 系統(tǒng)中，熱電堆傳感器檢測室內(nèi)人員的存在和運(yùn)動(dòng)，LMP93601 對傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大和數(shù)字化處理，根據(jù)檢測結(jié)果控制 HVAC 系統(tǒng)的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 電源供應(yīng)：LMP93601 需要 AVDD 和 IOVDD 兩個(gè)電源，推薦 MCU 和 IOVDD 共享同一電源，AVDD 由單獨(dú)的穩(wěn)壓器供電。電源范圍要在 2.7V 到 5.5V 之間，且 IOVDD 不能超過 AVDD。
• 布局設(shè)計(jì)：輸入信號(hào)布線要對稱，避免引入差分噪聲。AVDD 和 IOVDD 需進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫唇怦?，旁路電容要靠近電源引腳。模擬和數(shù)字組件要分開布局，減少相互干擾。此外，建議在數(shù)字輸入輸出引腳串聯(lián) 47 Ω 電阻，抑制過沖和提供過壓保護(hù)。

五、編程與使用注意事項(xiàng)

5.1 編程

包括數(shù)據(jù)和狀態(tài)捕獲窗口、單字節(jié)和多字節(jié)訪問模式等。數(shù)據(jù)和狀態(tài)讀取要在連續(xù)的 DRDYB 下降沿之間進(jìn)行，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.2 使用注意事項(xiàng)

使用時(shí)要注意靜電防護(hù)，避免 ESD 損壞芯片。在 PGA 旁路模式下，要嚴(yán)格按照指定的 SPI 寫入順序操作，否則可能導(dǎo)致芯片無響應(yīng)。此外，在電源上電和復(fù)位時(shí)，要遵循規(guī)定的順序，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的欠壓報(bào)告。 總之，LMP93601 以其出色的性能和豐富的功能，為熱電堆傳感器應(yīng)用提供了優(yōu)秀的模擬前端解決方案。不過，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師還需結(jié)合具體應(yīng)用場景，充分考慮各種因素，才能使芯片發(fā)揮出最佳性能。