Analog-Front-Ends für Sensoren

Abkürzung auf dem Signalpfad

11. Februar 2011, 16:39 Uhr | Von Chuck Sins

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Gleichzeitige Überwachung mehrerer Sensoren

Ähnliche Vorteile haben Sensor-AFEs auch in Anwendungen, in denen mehrere Sensoren gleichzeitig überwacht werden müssen. Ist es beispielsweise notwendig, einen Druck über einen weiten Temperaturbereich hinweg präzise zu erfassen, gibt es mehrere Vorteile. Am entscheidendsten ist, dass der LMP90100 mit seinem flexiblen Eingangs-Multiplexer die analogen Signale mehrerer Sensoren entgegennehmen kann, während hierfür bei kundenspezifischen Designlösungen ein separater Signalpfad für jeden Sensor erforderlich wäre.

Eine weitere Herausforderung bei dieser Applikation sind die verschiedenen Signalpegel der einzelnen Sensoren. Während der Druck-Sensor möglicherweise nur einen Vollausschlagbereich von 20 mV aufweist, können es beim Temperatur-Sensor mehrere V sein. Auch hier bietet der LMP90100 mit seinem in Zweierschritten (6 dB) zwischen 1 und 128 programmierbaren Verstärkungsfaktor einfache Möglichkeiten.

Weitere Anforderungen der Applikation sind das Bereitstellen der Vorspannung für den Sensor und einer Referenzspannung für den A/D-Wandler. Hierfür lassen sich die integrierten Stromquellen nutzen, um die Sensor-Vorspannung zu generieren, und ein Referenz-Multiplexer steht zur Verfügung, um zwischen zwei verschiedenen Spannungsreferenzen für den 24-bit-A/D-Wandler umzuschalten. Bei einem diskreten Design wären dagegen externe Schaltungen erforderlich, um den Sensor-Bias und die Spannungsreferenz zur Verfügung zu stellen.

Der Referenz-Multiplexer bietet zusätzlich den Vorteil, dass ratiometrische Messungen möglich sind. Dabei ist die Referenzspannung relativ zur Sensor-Vorspannung, was besonders in Umgebungen mit hohem Störaufkommen vorteilhaft ist. Dieser Vorteil lässt sich zwar auch in eigens entwickelten Schaltungen realisieren, jedoch erfordert dies mehr Leiterplattenfläche und lässt sich nur mit GPIO-Leitungen am Mikrocontroller realisieren. Da die Messungen außerdem über einen weiten Temperaturbereich hinweg durchgeführt werden, müssen traditionelle Signalpfad-Lösungen an den gesamten Temperaturbereich angepasst werden. Anders ist es mit dem LMP90100: Hier ist der Signalpfad vom Ausgang des Sensors zum Eingang des Mikrocontrollers selbstkalibrierend, so dass es zu keiner Drift über die Temperatur oder die Zeit kommt. Verstärkung und Offset der Elektronik im System-Signalpfad müssen somit im digitalen Bereich weder überwacht noch korrigiert werden.

Besondere Anforderungen bei Giftgas-Detektoren

Eine weitere Multi-Sensing-Applikation, in der Sensor-AFEs gravierende Vorteile gegenüber diskreten Designs traditioneller Art bieten, sind Giftgas-Detektoren, die mit ein und demselben Instrument mehrere Gase erfassen müssen. Bei einigen Giftgas-Sensoren kommt es in Gegenwart eines bestimmten Gases zu einer Oxidationsreaktion, während bei anderen eine Reduktionsreaktion zu beobachten ist.

Eine traditionelle Lösung für diese Sensor-Applikation würde die Fähigkeit voraussetzen, die Bias-Spannung des Transimpedanz-Verstärkers (TIA), der den Stromfluss durch den Sensor misst, zu verändern. Bei der Reduktionsreaktion fließt der Strom aus der Arbeitselektrode des Sensors heraus. Die Vorspannung muss hier deshalb auf einen positiven Referenzwert gesetzt werden, um zu verhindern, dass der Ausgang des TIA bei zunehmendem Strom in der Nähe des Massepotentials gekappt wird. Bei einer Oxidationsreaktion dagegen fließt der Strom in die Arbeitselektrode des Sensors hinein. Hier muss deshalb die Vorspannung in der Nähe des Massepotentials angesetzt werden, damit der Ausgang des TIA nicht bei Annäherung an die positive Versorgungsspannung in die Sättigung gerät.

Bei diskreten Designs lässt sich dies auf verschiedene Weise erreichen. Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer bipolaren Versorgungsspannung, die dem Ausgang des TIA Auslenkungen in beide Richtungen erlaubt, wenn die TIA-Eingänge eine Versorgungsspannung in der Nähe des Massepotentials erhalten. Eine andere Variante ist ein externer D/A-Wandler oder analoger Schalter, um abhängig vom jeweiligen Giftgas-Sensor wahlweise einen Bias nahe dem Massepotential oder nahe der positiven Versorgungsspannung zu wählen. Auf diese Weise lassen sich beide chemischen Reaktionen mit einer einzigen positiven Versorgungsspannung abdecken.

Im Zusammenhang mit Giftgas-Sensoren kommt als weitere Herausforderung der Dynamikbereich der zu erfassenden Ströme hinzu. Während einige dieser Sensoren einen Vollausschlagbereich von 600 µA und eine Empfindlichkeit von 10 nA/ppm aufweisen, beträgt der Vollausschlagbereich bei anderen 10 µA, die Empfindlichkeit dagegen 1 nA/ppm. Auch diese Anforderung lässt sich mit mehreren Lösungen erfüllen.

 Damit über einen weiten Strombereich hinweg eine hinreichende Auflösung erzielt wird, könnte eine diskrete Lösung mit einem hochauflösenden 16- oder 24-bit-A/D-Wandler anstelle des traditionellen 12-bit-Bausteins bestückt werden. Damit ist gewährleistet, dass über den vollen Strombereich hinweg die geforderte Auflösung geliefert wird - wenn auch mit dem Nachteil, dass ein teurerer A/D-Wandler benötigt wird.

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Beschaltung des LMP91000 für unterschiedliche chemische Reaktionen
Bild 4. Beschaltung des LMP91000 für unterschiedliche chemische Reaktionen.
© National Semiconductor

Eine andere Option wäre die Verwendung analoger Schalter zum Aktivieren verschiedener Gegenkopplungs-Widerstände, um die Verstärkung des TIA umzuschalten. Dies würde die Verwendung eines 12-bit-A/D-Wandlers ermöglichen, dessen Dynamikbereich damit besser ausgeschöpft würde, um die geforderte Leistung zu liefern. Der LMP91000 nutzt dafür einen programmierbaren Gegenkopplungs-Widerstand zwischen 2 kΩ und 375 kΩ und der zusätzlichen Option, auf einen externen Gegenkopplungs-Widerstand umzuschalten (Bild 4).

Schließlich verlangt die Applikation nach einer Möglichkeit, die Potentialdifferenz zwischen der Arbeits- und der Referenzelektrode des Giftgas-Sensors zu regulieren. Einige Sensoren (z.B. Kohlenmonoxid-Sensoren) erfordern einen Bias von Null, d.h., Arbeits- und Referenzelektrode befinden sich auf demselben Potential. Andere Sensoren, beispielsweise für Stickoxid, verlangen dagegen nach einer positiven Vorspannung. Wieder andere benötigen einen negativen Bias. Eine diskrete Schaltung kann auch hier aus analogen Schaltern, mehreren Referenzspannungen und/oder D/A-Wandlern konfiguriert werden. Der LMP91000 dagegen löst das Problem durch die Bereitstellung einer programmierbaren Bias-Spannung zwischen +24 % von UREF und -24 % von UREF.


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