设计解决方案:最新的MEMS和传感器信号调理架构

放大器和架构自那以后没有太大变化,但在一些设计案例中,有一些较新的器件和设计架构云顶集团国际娱乐网址可能更适合MEMS传感器调理。我将不仅包括本文中的模拟运算放大器解决方案,还包括分立晶体管,数据转换器,微控制器和基于算法的解决方案。以下是一些使用这些不同的架构传感器调节云顶集团国际娱乐网址和一些有趣主题领域的最新产品的关键应用。

医疗:监测我们体内的声音1

监测人体内的声音仍然是医生诊断的重要手段。早在19 世纪,听诊1(来自拉丁美洲auscultatus,“来倾听”)云顶集团国际娱乐网址最早听诊器使用。在现代云顶集团国际娱乐网址中,云顶集团国际娱乐网址已经超越了麦克风类型的传感器,再到压电传感器。

今天的大多数电子听诊器都设计有一组具有不同频率响应的可配置滤波器。这些滤波器可以更好地收听人体的各个区域,例如心脏(20Hz至400Hz范围),关节,肠道或肺部(100Hz至1200Hz范围)。大多数这些滤波器设计为具有可调截止频率的带通。经常采用降噪算法来减少诸如患者移动或环境噪声之类的干扰。Maxim Integrated有一个很好的电子听诊器框图(图1)。


图1数字听诊器的方框图(图片由Maxim Integrated提供)

 


听诊器也可以有机械可调的隔膜来调节信号。请参阅此3M Littmann 网站和视频

医疗:用于移动健康监测的无线ECG 2

参考文献2中提到的无线可穿戴设备能够通过使用非接触式电容式电极来测量心电图(ECG)和呼吸率(RR)。良好的模拟前端设计是该设计中的关键架构元素,可进行信号调理并产生强劲,清洁的输出。嵌入可穿戴背心,主动电极与受试者的胸部接触; 参比电极直接放在受试者的皮肤上。该参考电极将共模输入信号传递回受试者的皮肤,该皮肤是该架构中的系统接地。一旦通过电极获取了信号,就将其发送到差分分离滤波器(DSF)。DSF负责将差分信号分成两个主要信号分量:

  1. 频率高于1 Hz的信号
  2. 频率低于1 Hz的信号(此阶段对于分离ECG和RR信号分量至关重要)。

整个信号调理电路如图2所示有关该电路及其中使用的增益和元件值的更多详细信息,请参见参考文献2。


图2模拟前端框图(图片由参考文献2提供)

 


现在图2中的仪表放大器(IA)将开始提取ECG信号。高共模抑制比(CMRR)IAs将抑制两个电极之间的共模信号,从而消除由于接触或AC干扰引起的感应噪声。德州仪器(以前称为Burr-Brown器件)的INA121是具有高阻抗的FET输入器件,可放大微小的ECG信号。系统增益的大部分将通过

INA121
 为了在调节电路的输入端最大化CMRR。

 

接下来,用于ECG信号的二阶有源低通滤波器(LPF)具有100Hz相对陡峭的截止,其被配置为Sallen-Key KRC架构。接下来是2级的非反相增益,然后是ADC前面必要的抗混叠滤波器。有关此AFE和呼吸率的更多详细信息,具有类似的信号调节和差分分离滤波器,请参见参考文献2。

用于MEMS换能器的斩波放大器的信号调理3,5

使用MEMS器件的电容式传感具有低功耗,良好的噪声性能和低温度系数的优点。对于高分辨率灵敏度应用,对于标称电容小于100 fF的MEMS换能器,所需的灵敏度可小于1 fF。这种换能器与传感电路集成在一起,因此需要低容性负载。信号调节是必要的,必须非常准确,噪音低。这表明输入电容和噪声电压也需要很低。惯性传感器应用中,在接近DC的频率下需要高灵敏度。因此,斩波放大器可能是消除闪烁噪声和DC偏移的最佳选择。

与单个斩波放大器3相比,双斩波放大器(DCA)具有更低的寄生电容和更低的功耗已经确定输入噪声和输入寄生电容都将影响灵敏度。

在这种设计中,有两个不同的放大器(A2)用两个不同的频率斩波以消除它们的闪烁噪声。此外,设计人员在第一阶段增加了一个低压大电流放大器(A1)。这种添加将改善架构的功耗和本底噪声。

第二阶段设计有两条平行路径,可提高SNR并提供两种增益设置(图3)。

 

 
图3参考文献5中提出的电路原理图,其中偏置电阻是伪电阻,可实现更高的电阻值(图片由参考文献5提供)

图3中的传感器输入级将支持电容和电压模式。在电容模式中,MEMS换能器S连接到电容桥,该电容桥是斩波放大器电路的一部分。通过施加到电桥中的一个电容器的电容器组去除换能器偏移,以匹配标称传感器电容。

在电压模式下,电压模式混频器连接到引脚IN3和IN4,同时电压模式混频器被使能以切断电压信号。电容路径传输门将其断开,并禁用电容桥时钟。

图3显示了两个差分输入对进入加法器和Gm-C低通滤波器的示意图,该滤波器添加了来自两个路径的信号,并在信号被斩波后消除了带外频率失真到基带。电容f 为15 pF。有关详细信息,请参见参考5。

在独特的信号调节环境中测量电阻6

在这里,我们将介绍一种信号调节云顶线上娱乐,通过电容耦合电极测量绝缘管中的电阻和最终水的电导率。由于电极与水电绝缘,因此通过在水柱和电极之间形成的电容来实现测量。

该云顶集团国际娱乐网址解决了与传统的基于接触的导电云顶线上娱乐相关的电极污染和极化,以测量水。这里的主要挑战是耦合电容器的大电抗与被测水柱的电阻相比。耦合电容也会随着时间的推移而变化,这也是另一个挑战。

参考文献6说明了一种自动平衡信号调节云顶线上娱乐,以克服这些挑战,其中提供的输出与被测电阻成正比,并且与耦合电容的值无关。

测量探头

测量探针必须具有带两个圆形金属电极(激发电极和接收电极)的介电涂层。当激励电极被激励时,电流将从其流到水中,并且该电流将被接收器电极收集。如果用于海水的电导率测量,图4中的整个探头将被海水包围,电极上的绝缘体将有助于避免电极与其周围的水直接接触。


图4传感器探头:(a)电导率测量探头侧视图和(b)电导率测量探头横截面图(图片由参考文献6提供)

 

 

 

图4显示了激发电极和水柱之间存在的电介质。因此,在电极和水的外表面之间形成电容x 1类似地,在接收器电极和水之间形成电容,其图5中表示为x 2激发电极和接收电极之间的水柱电阻在图中表示为x目标是创建一个测量x的云顶线上娱乐,同时不受x1x2值的影响 

 

 


图5 传感器探头的电气等效电路表示(图片由参考文献6提供)

 

自动平衡信号调节电路6

图6中in是正弦电压源, 馈入 由运算放大器OA 1和OA 2组成的两个电流 - 电压转换器电路 同时驱动 电流-电压转换器,其中一个由运算放大器OA的1,其反馈路径由电容耦合的导电测量探头的。in 然后还驱动由运算放大器OA 2产生的第二电流 - 电压转换器,其反馈路径由具有增益G的电压控制放大器(VCA)的标准电容s 组成。这两个电流 - 电压转换器的输出连接到高通滤波器。这些高通滤波器的输出相加到由运算放大器OA 3制成的反相夏季

运算放大器OA 3的输出馈入由比较器OC 1,OC 2,XOR门,SPDT开关和运算放大器产生的Sallen-Key二阶低通滤波器构成的相位检测电路(PDC)的输入端。OA 4PDC的参考输入是到OC 2PDC的输出通过运算放大器OA 5实现的积分器控制VCA G其输入电阻8和反馈电容2通过电容耦合测量探针的电流01是= v in / 1A其中in = m Sin(ωt)。有关更多设计细节,请参见图6并参见参考资料6。

 

 

 


图6用于电容耦合测量探头的自动平衡信号调理电路图(图片由参考文献6提供)

最新的行业组件和软件解决方案

 

意法半导体

STMicro最近推出了TSB712A,这是一款新型精密运算放大器,在宽电压和温度范围内具有非常稳定的参数。为了辅助传感器信号调理,该器件具有内置输入滤波器,可确保在宽频率范围内提高EMI抑制比(EMIRR),从而提高云顶娱乐4008和汽车应用或靠近RF设备的高噪声环境的易感性。EMIRR描述了运算放大器的EMI抗扰度。许多运算放大器常见的不利影响是由于RF信号整流导致的偏移电压的变化,并且在以下等式中定义:

EMIRR = 20log(V 在PP /ΔV IO

 

STMicro还有一个eDesign Suite,您可以使用STMicro产品进行信号调理模拟。

线性集成系统4

有许多设计可以在信号调理中使用分立元件,如晶体管和FET。看看这种简洁的设计,将低电容JFET添加到运算放大器,这将降低输入电容并降低电路中的噪声(图7)。


图7添加到运算放大器电路的低电容JFET,可降低输入电容并降低噪声4(图片由参考文献4提供)

 

 

 

高阻抗输入,缓冲A至D转换器简化了信号调理7

ADI公司的LTC2358-18是一款18位,200 kHz,低噪声,缓冲8通道输入,具有同步采样A / D转换器。为了协助MEMS和传感器输入的信号调理,集成的皮安输入模拟缓冲器,宽输入共模范围和128 dB CMRR有助于最大限度地减少对外部信号调理的需求,甚至可能在某些设计中根本不需要它。

输入和VCC和VEE电源之间的二极管为ADC输入提供必要的ESD保护。这消除了使用外部运算放大器缓冲器的需要,这些缓冲器通常具有在瞬态期间导通的二极管保护,可以破坏其输入端上的任何滤波器电容器上的电压。

ADC集成单位增益缓冲器的高输入阻抗大大降低了输入驱动要求,并允许设计人员选择具有kΩ阻抗和任意慢时间常数的可选RC滤波器,以实现抗混叠。具有有限驱动能力的微功率运算放大器也非常适合直接驱动高阻抗模拟输入。

单端输入驱动器还增加了额外的外部串扰隔离,因为每个其他输入引脚都接地,或者是低阻抗直流电源,并且用作通道之间的屏蔽。该ADC另一个不错的信号调理功能是能够在高达10mA的任何通道上驱动高于VCC的模拟输入信号,而不会影响其他通道的转换结果。

ADC的真正高阻抗模拟输入可以适应各种无源或有源信号调理滤波器。缓冲ADC输入的模拟带宽为6 MHz,无需外部滤波器的特定带宽要求。外部输入滤波器可以独立于ADC进行优化,以降低信号链噪声和干扰。常见的滤波器配置是简单的抗混叠和降噪RC滤波器,其极点为采样频率的一半。例如,100 kHz,R =2.43kΩ,C = 680 pF,如图8所示

 


图8过滤单端输入(图片由Analog Devices提供)

 

 

 

用于电化学和生物传感器的混合信号AFE和微控制器9

我对用于MEMS和传感器信号调理的半导体解决方案的最终观察是ADI公司的ADuCM355该IC是一款精密模拟微控制器,具有生物传感器和化学传感器接口,适用于云顶娱乐4008气体传感,仪器仪表,生命体征监测和疾病管理等应用。 

该解决方案是目前唯一可在单芯片上集成双恒电位仪8电化学阻抗谱(EIS)10功能的解决方案该解决方案还支持双恒电位仪和三个以上的传感器电极。

其他集成信号调节功能包括:

  • 电压,电流和阻抗测量能力
  • 双超低功耗,低噪声恒电位仪:8.5 uA,1.6 uV RMS
  • 灵活的16位,400ksps测量通道

有关详细信息,请参阅ADI公司网站上的这些视频

 

 

因此,您可以看到有很多信号调理云顶集团国际娱乐网址和选项可以提高设计的MEMS和传感器输入的性能。我知道我们将来会继续看到更多创新云顶线上娱乐来增强信号调理能力,我们在EDN将继续为您提供这些云顶集团国际娱乐网址创意,以满足您的设计需求。

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