LMP93601：用于熱電堆傳感器的高性能模擬前端

在電子設計領域，熱電堆傳感器的應用日益廣泛，像建筑自動化里的 HVAC 系統控制、手勢識別等。而與之匹配的模擬前端（AFE）芯片的性能，對整個系統的表現起著關鍵作用。今天咱們就詳細聊聊德州儀器的 LMP93601 這款專為熱電堆傳感器精心設計的 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量流量傳感器優化的 AFE。它封裝形式為無鉛 WQFN - 24，把出色的噪聲性能、低失調電壓、高增益和低功耗等優點集于一身，采樣速率也很適合熱電堆傳感器的監測。

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境下，傳感器信號能穩定放大，測量精度更有保障。
• 低失調電壓與漂移：失調電壓僅 1 μV，漂移低至 50 nV/°C。即使在微弱信號檢測時，也能有效降低誤差。比如在熱電堆傳感器輸出信號只有微伏級別的情況下，低失調電壓能確保信號準確放大。
• 低輸入偏置電流和失調電流：輸入偏置電流為 1.3 nA，輸入失調電流 120 pA。這有助于減少信號源的負載效應，提高測量精度。
• 低噪聲性能：有效位數（ENOB）達 15.3 位，能在低噪聲環境下精確采集信號。在對信號質量要求極高的應用中，低噪聲性能可保證信號的真實性。
• 多輸出數據速率：有四種輸出數據速率可選，最高達 1.3 kSPS，能適應不同的采樣需求。像快速變化信號的測量，就可以選擇較高的數據速率。
• 內部電壓參考與 SPI 接口：ADC 有內部電壓參考，SPI 接口傳輸速率達 20 MHz，方便與微控制器通信，實現數據的快速傳輸。
• 多種檢測功能：具備欠壓檢測、PGA 過范圍檢測等功能，增強了系統的穩定性和可靠性。當電源電壓異常或信號超出范圍時，能及時反饋并采取相應措施。
• 低功耗：正常工作電流 1.1 mA，低功耗關斷模式下電流小于 (0.1 mu A)，適合對功耗要求嚴格的應用。

1.2 引腳配置與功能

該芯片有 24 個引腳，不同引腳各司其職，像模擬輸入引腳負責接收傳感器信號，數字輸入輸出引腳用于與外部設備通信等。使用時需注意，所有“GND”連接（AGND、DGND 和 IOGND）都要連接到系統地，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

2.1 絕對最大額定值

使用時要嚴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，超過這個范圍可能會損壞芯片。

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，數字電源電壓 IOVDD 范圍是 2.7V 到 AVDD，時鐘頻率 Fclk 為 3.6 到 4.4 MHz。在這些條件下使用，芯片能發揮最佳性能。

2.3 電氣特性

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

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，最大差分輸入電壓為 ±64 mV。同時，PGA 還集成了 EMIRR 濾波器，能增強對射頻信號的抗干擾能力，使信號更穩定。

3.2 模數轉換器（ADC）

16 位 Sigma Delta 調制器（SDM）將 PGA 的輸出信號轉換為高分辨率比特流，再由數字濾波器進一步處理。內部產生的 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 可編程數字濾波器

位于 SDM 之后，可根據不同的采樣速率（如 265、530、1057 或 1326 SPS）進行編程，它能對信號進行濾波和抽取，降低數據速率和帶寬，同時提高分辨率，使輸出信號更平滑。

3.4 共模電壓發生器（VCM）

提供 AVDD/3 的參考電壓，可驅動外部電容，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 穩壓器（LDO）

片上 LDO 為數字核心生成 1.2V 電壓，XCAP2 引腳需外接電容提供電源旁路。不過，LDO 不能用于驅動外部電路。

3.6 同步串行外設接口（SPI）

通過 4 線同步接口與外部設備通信，一個典型的串行接口訪問周期為 16 位，包含 8 位命令字段和 8 位數據字段。通過 SPI 可配置芯片的各種參數，實現靈活控制。

四、應用案例與設計要點

4.1 典型應用

在 HVAC 系統中，熱電堆傳感器檢測室內人員的存在和運動，LMP93601 對傳感器輸出的微弱信號進行放大和數字化處理，根據檢測結果控制 HVAC 系統的開關，實現節能。

4.2 設計要點

• 電源供應：LMP93601 需要 AVDD 和 IOVDD 兩個電源，推薦 MCU 和 IOVDD 共享同一電源，AVDD 由單獨的穩壓器供電。電源范圍要在 2.7V 到 5.5V 之間，且 IOVDD 不能超過 AVDD。
• 布局設計：輸入信號布線要對稱，避免引入差分噪聲。AVDD 和 IOVDD 需進行適當的電源解耦，旁路電容要靠近電源引腳。模擬和數字組件要分開布局，減少相互干擾。此外，建議在數字輸入輸出引腳串聯 47 Ω 電阻，抑制過沖和提供過壓保護。

五、編程與使用注意事項

5.1 編程

包括數據和狀態捕獲窗口、單字節和多字節訪問模式等。數據和狀態讀取要在連續的 DRDYB 下降沿之間進行，以確保數據的準確性。

5.2 使用注意事項

使用時要注意靜電防護，避免 ESD 損壞芯片。在 PGA 旁路模式下，要嚴格按照指定的 SPI 寫入順序操作，否則可能導致芯片無響應。此外，在電源上電和復位時，要遵循規定的順序，避免出現錯誤的欠壓報告。 總之，LMP93601 以其出色的性能和豐富的功能，為熱電堆傳感器應用提供了優秀的模擬前端解決方案。不過，在實際設計中，工程師還需結合具體應用場景，充分考慮各種因素，才能使芯片發揮出最佳性能。