探索LMP91051：用于非色散紅外（NDIR）傳感應用的可配置AFE

在電子工程師的日常設計工作中，為特定應用選擇合適的模擬前端（AFE）至關重要。今天，我們就來深入探討一款專為非色散紅外（NDIR）傳感應用優化的可配置AFE——LMP91051。

文件下載：lmp91051.pdf

一、LMP91051概述

LMP91051是一款雙通道可編程集成傳感器模擬前端，特別針對熱電堆傳感器進行了優化，常用于NDIR應用。它能在傳感器和微控制器之間提供完整的信號路徑解決方案，輸出電壓與熱電堆電壓成正比。其可編程特性使得一個設計就能支持多個熱電堆傳感器，避免了使用多個分立解決方案。

二、關鍵特性

2.1 雙通道輸入

具備雙通道輸入能力，可同時處理兩路信號，為多通道傳感應用提供了便利。

2.2 可編程增益放大器（PGA）

提供兩種可編程增益模式（低/高），每種模式有四種可編程增益設置。低增益模式范圍為167V/V至1335V/V，高增益模式范圍為1002V/V至7986V/V，能適應不同靈敏度的熱電堆傳感器。

2.3 “暗信號”偏移消除

通過抵消“暗信號”，優化了ADC的滿量程使用，降低了ADC分辨率要求，提高了系統的準確性。

2.4 支持外部濾波

可通過專用引腳A0和A1進行額外的信號濾波（高通、低通或帶通），有效去除帶外噪聲。

2.5 共模發生器和8位DAC

共模發生器可提供1.15V或2.59V的共模電壓，增加了輸出動態范圍。8位DAC用于偏移調整。

2.6 封裝形式

采用14引腳TSSOP封裝，體積小巧，適合空間受限的應用。

三、應用領域

LMP91051的應用十分廣泛，主要包括以下幾個方面：

3.1 NDIR傳感

在氣體檢測領域，如二氧化碳（CO?）檢測、酒精檢測等，利用NDIR技術實現高精度的氣體濃度測量。

3.2 需求控制通風

用于建筑物的通風系統，根據室內空氣質量實時調整通風量，提高能源效率。

3.3 建筑物監控

監測建筑物內的環境參數，如溫度、濕度、氣體濃度等，保障建筑物的安全和舒適。

3.4 汽車應用

如CO?座艙控制和酒精檢測，為汽車的安全性和舒適性提供保障。

3.5 工業安全與安保

檢測工業環境中的有害氣體，保障工作人員的安全。

3.6 溫室氣體和氟利昂檢測平臺

用于環境監測和工業生產中的氣體檢測。

四、關鍵規格參數

4.1 可編程增益

范圍從167V/V到7986V/V，可根據實際需求靈活調整。

4.2 低噪聲

在0.1至10Hz頻率范圍內，噪聲僅為0.1μVRMS，確保了信號的高質量。

4.3 增益漂移

典型值為20ppm/°C，保證了增益在不同溫度下的穩定性。

4.4 相位延遲漂移

典型值為300ns，減少了信號傳輸過程中的延遲誤差。

4.5 電源電壓范圍

2.7V至5.5V，可適應不同的電源環境。

五、功能描述

5.1 可編程增益放大器

LMP91051的PGA提供兩種增益模式和多種增益設置，通過GAIN1和GAIN2 [1:0]位進行控制。在高增益模式下，輸入信號應在+/-2mV范圍內；低增益模式下，最大輸入信號可達+/-12mV。

5.2 外部濾波

通過EXT_FILT位選擇測量模式，當EXT_FILT = 1時，可連接外部濾波器，如典型的帶通濾波器，進一步優化信號質量。

5.3 偏移調整

先測量“暗信號”，然后通過編程DAC進行調整，再測量殘余暗信號，以確保系統在不同溫度下的準確性。

5.4 共模生成

可提供1.15V或2.59V的共模電壓，為傳感器提供合適的偏置。但不建議在3.3V電源下使用2.59V的VCM。

5.5 SPI接口

用于編程設備參數，如PGA增益、外部濾波、PGA電源、偏移調整和共模電壓等。接口包括SDIO、SCLK和CSB引腳，支持讀寫操作。

六、應用信息

6.1 NDIR氣體傳感原理

NDIR技術基于氣體分子對特定波長紅外光的吸收特性。以CO?為例，其在4.26μm波長處有強吸收，通過帶通濾波器去除其他波長的光，利用熱電堆檢測光強度變化，從而測量氣體濃度。

6.2 傳統離散運放信號調理

傳統的NDIR系統通常使用離散運放進行增益級設計，需要AC耦合來消除信號鏈偏移，設計較為復雜。

6.3 LMP91051傳感器AFE在NDIR氣體傳感中的應用

LMP91051集成了離散運放的功能，節省了設計時間和復雜度。它的雙通道PGA可輕松連接雙通道NDIR傳感器，通過消除光源偏差引起的誤差，提高了系統的準確性。同時，其可編程增益和偏移調整功能可確保熱電堆輸出信號與ADC的動態范圍匹配，提高系統分辨率。

6.4 LMP91051氣體檢測系統

以LMP91051為核心的氣體檢測系統，采用Alphasense IRC - AT NDIR傳感器，包括IR燈、兩個熱電堆通道和一個用于溫度校準的熱敏電阻。IR燈以1至3Hz的頻率、50%的占空比進行調制，以節省功率并避免設備過熱。LMP91051的輸出由MSP430微控制器通過SPI進行編程和采樣。

6.5 氣體檢測方法和設置

在雙通道NDIR系統中，通過比較有源通道和參考通道的峰 - 峰波形電壓來提高測量準確性。在多路復用雙通道系統中，以較高的速率切換通道，并在切換前對每個通道進行多次采樣，以確保準確采樣。

七、總結

LMP91051作為一款專為NDIR傳感應用設計的可配置AFE，具有眾多優勢，如可編程增益、低噪聲、偏移消除等。它不僅簡化了設計，提高了系統的準確性和可靠性，還能適應多種應用場景。電子工程師在設計NDIR傳感系統時，LMP91051是一個值得考慮的選擇。大家在實際應用中是否遇到過類似的AFE選型問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。