低功耗能量采集设计中传感器激励的解决方案

对于需要激励以产生可测量输出的有源传感器，工程师可以转向提供所需电流或电压水平的各种选项。从基于运算放大器的简单激励电路到高度集成的多功能IC，可用选项包括来自制造商的一系列器件，包括凌力尔特公司，Microchip技术公司和德州仪器公司等。由于对物联网的快速增长的兴趣所推动（IoT），传感器子系统构成了许多设计的核心，这些设计预计将在薄膜电池和能量收集技术上运行多年。然而，为了进行可靠的测量，许多基于电阻的传感器，如热敏电阻，电阻温度检测器（RTD），应变计等都需要从电流或电压源激励以产生电输出。

激励电流源输出RTD的电压与器件的电阻成正比。虽然使用高激励电流会表明电压输出更大，但RTD电阻会随着温度从较高电流上升而增加。相反，热敏电阻的电阻随着温度从类似的自热效应上升而下降。除了这些类型之外，其他传感器（例如霍尔效应传感器）也表现出随施加的激励而显着变化的性能特征。因此，有源传感器通常需要在严格的限制范围内保持激励，以确保可靠的测量和最小的非线性。

工程师可以使用可用的电流源IC（如德州仪器REF200）和基本运算放大器构建简单的激励电路，例如TI OPA188（图1）。通过这种方法，工程师可以使用由电流源IC产生的两个匹配激励源，在所需传感器测量范围的低端将运算放大器的输出电压调整为零。

图1：基本运算放大器（如德州仪器OPA188）和电流源（如TI REF200）的组合提供了一个传感器激励电路，可以调节为在RTD所需比例的低端提供0 V输出温度传感（由德州仪器提供）。虽然这种基本方法可以满足各种简单的传感器激励要求，但是使用单独的源可能会使传感器系统中数据转换路径的设计复杂化。为了进一步简化传感器电路，设计人员可以将其电路配置为使用一个电压源来传感器和信号路径。在采用比率测量技术的这种方法中，相同的电压源既可用作传感器的激励，也可用作模数转换器（ADC）的参考电压。

比率测量提供传感器，而不是提供输出作为绝对电压测量值是传感器输出电压和电源电压的比值。比例方法无需外部电压参考IC，从而降低了设计复杂性。此外，比率测量可以降低电源电压变化的影响，这些电压变化可能受到能量输出波动的环境源驱动的能量收集设计的影响。实际上，对传感器激励和ADC使用相同的参考只是消除了功率电平的变化。

工程师可以使用高分辨率ADC（如Microchip Technology MCP3551 ADC）来应用这种方法。 MCP3551是一款22位Σ-Δ型ADC，具有差分输入，设计用于连接引脚VREF的外部参考电压。在比率设计中，VREF与VDD相连，VDD也可作为电桥的激励电压源（图2）。设计人员可以使用高分辨率MCP3551直接数字化传感器输出，无需额外的外部信号调理电路，从而最大限度地降低功耗和电路占板面积。

图2：对于某些应用，工程师可以使用比率测量技术简化设计，这些技术使用相同的电压源进行传感器激励和ADC参考。这种方法需要一个ADC，例如Microchip MCP3551，它使用外部精密电压基准或允许工程师禁用内部连接到ADC电路的片上精密基准电压（由Microchip Technology提供）。

设计人员还可以构建传感器激励使用比例式设计的MCU的功能。使用Microchip Technology PIC16C774，工程师可以构建一个简单的激励电路，其中一个MCU的内部参考电压的缓冲输出提供激励电压。来自桥式传感器的差分输出进一步缓冲，滤波并传送到MCU的片上ADC（图3），以提供具有传感器激励的完整数据转换解决方案。

图3：设计人员可以使用高度集成的MCU（如Microchip Technology PIC16C774 MCU）来提供传感器激励和测量，并使用最少的外部元件进行缓冲，放大和滤波（由Microchip Technology提供）。需要大量的信号调节来降低噪声，增加动态范围，并补偿传感器的非线性。对于这些设计，先进的模拟前端（AFE）信号调理器IC将信号处理功能与传感器激励功能相结合。德州仪器（TI）LMP90080信号调理器IC集成了两个匹配的可编程电流源，能够提供100至1，000μA的电流来激励RTD和桥式传感器（图4）。

图4：德州仪器（TI）LMP90080 IC将完整的传感器信号调理功能与一对电流源IB1和IB2相结合，能够在基于传统PT-100设备的三线RTD电路等设计中提供100至1，000μA的传感器激励（礼貌）对于霍尔传感器，传感器激励变得更加复杂，霍尔传感器在存在磁场的情况下产生输出电压。这些传感器用于智能电表中的接近感应和电流感应等各种应用，其磁灵敏度与施加于其上的激励电压成正比。在典型设计中使用标称激励电压，霍尔传感器本身可能消耗毫安电流，这对于在紧凑的功率预算下的能量收集设计而言是不可接受的功率要求。因此，需要在能量采集设计中使用霍尔传感器的工程师可能只是希望降低激励电压以降低电流。不幸的是，激励的显着降低意味着传感器灵敏度的相应降低。

一种在降低传感器能耗的同时保持整体设计灵敏度的方法建立在超低功耗器件上，例如凌力尔特公司的LT1790微功率基准，LT1782运算放大器和LT6011精密运算放大器（图5）。这里，LT1782缓冲LT1790基准电压源的衰减输出，将励磁电流降低一个数量级。虽然传感器灵敏度相应降低，但配置为仪表放大器的LT6011运算放大器提供了一个数量级的增益补偿，有效地为整体设计提供了相同的灵敏度，但功耗水平大大降低。

图5：使用超低功耗IC可以保持整体设计灵敏度，提高传感器输出以补偿较低的传感器激励水平（由Linear Technology提供）。

适用于宽温度的霍尔传感器应用变化，诸如德州仪器DRV411之类的设备提供了集成解决方案。与用于RTD传感应用的TI LMP90080一样，TI DRV411将完整的信号调理路径与集成的传感器激励功能相结合。 DRV411专为减少偏移和漂移而设计，可提供随温度变化的激励电流，以将霍尔传感器的灵敏度保持在恒定水平。为了进一步提高精度，该设备采用自旋电流法，其中激励电流在正交方向旋转，传感器输出平均以抵消偏移并降低1/f噪声。

结论

使用电压或电流激励源对于有源传感器（如RTD，桥传感器和霍尔元件）的正常运行至关重要。对于基本要求，工程师可以使用运算放大器构建合适的激励电路，或采用比率测量方法来简化设计。对于更复杂的要求，高度集成的设备提供复杂的激励功能，旨在提高测量精度。对于工程师而言，广泛的可用IC和设计方法为低功耗能量采集设计中的传感器激励提供了现成的解决方案。