HKA2910传感器旗子暗记疗养芯片设计

(1.中航工业西安航空打算技能研究所，陕西 西安710068；

2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安710068；

4.成都凯天电子株式会社，四川 成都610091)

摘 要：阻性传感器固有的输出旗子暗记非线性和温度漂移的问题，使其在构建精密传感系统时影响系统的丈量精度。
常日情形采纳板级补偿的方法，该方法占用板面历年夜、功耗大和质量大。
通过研究阻性传感器的温度漂移产生事理和补偿方法，采取集成电路技能，单芯片实现了一种高精度传感器旗子暗记调理，内置高精度补偿算法，并开拓了校准软件。
对基于旗子暗记调理芯片构建的单片传感器旗子暗记调理补偿系统进行系统测试，测试结果表明，在-55 ℃～150 ℃的温度范围内输出的旗子暗记呈良好的线性关系，偏差小于0.2%，知足系统的丈量精度需求。
该芯片设计知足工程小型化、低功耗、高精度的哀求，为旗子暗记调理补偿供应了新的技能手段。

中图分类号：V243.1

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.003

中文引用格式：田泽，郎静，杨杰，等. HKA2910传感器旗子暗记调理芯片设计[J].电子技能运用，2016，42(5)：10-13.

英文引用格式：Tian Ze，Liang Jing，Yang Jie，et al. Design of HKA2910 sensor signal conditioner and compensation system with a single chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：10-13.

0 弁言

阻性传感用具有灵敏度高、稳定性好、频率相应范围宽、易于小型化、便于批量生产与利用方便等特点，是一种发展迅速、运用广泛的新型传感器，多用于航空恶劣环境中进行翱翔气动参数、液压、油压等系统丈量。
但是由于传感器材料的温度特性，压阻传感器在不同温度下利用时会发生温度漂移，且存在非线性输出的问题，在很大程度上影响了压阻传感器的丈量精度[1-2]。

针对传统阻性传感器补偿方法[3-6]存在的不敷，本文提出了一种新型单芯片智能化的补偿思路和方案，该方法利用集成电路技能，将温度传感器、16位∑-型D/A转换器和可编程增益放大等繁芜电路集成于单颗芯片。
以此芯片构建的传感器系统，通过补偿校准和拟合算法确定事情温度范围内的所有温度补偿参数，实现了对压阻传感器温度漂移的高精度补偿，知足了航空电子传感器系统高集成度、低功耗、小型化、高精度的发展需求。

1 芯片设计

HKA2910构造包含一个可编程传感器勉励、一个16级可编程增益放大器(PGA)、一个768字节(6144位)内部FLASH，四个16位DAC、一个通用的运算放大器以及一个内嵌的温度传感器，事理构造如图1所示。
下面就温度传感器设计、16位∑-型D/A 转换电路和16级可编程增益放大器做详细解释。

1.1 宽温范围CMOS温度传感器电路

集成温度传感器紧张由温度检测电路和模数转换器等电路构成，如图2所示。
温度检测电路是检测芯片内部温度并产生一个与温度成比例的电压值，该电压值被送入模数转换器中，经由模数转换器的处理，输出与温度干系的数字旗子暗记。

该电路采取模数转换器对宽温范围(-70 ℃~185 ℃)的电压旗子暗记进行加权打算，将两种不同温度特性和参数的输入电压转换成与温度逐一对应的数字旗子暗记。
利用CMOS的宽温度特性和电路加权处理得到稳定的温度解析度，将感温元件和前辈打算电路集成在同一芯片上，仅需较小的面积和功耗，就能达到稳定温度精度输出的目的。
电路构造大略，温度范围广且精度高。

1.2 16位∑-型D/A 转换电路

∑-型D/A转换技能是通过采取通信中的∑-调制器来达到在数字域进行高精度的旗子暗记处理，在仿照域进行低精度旗子暗记处理，从而得到整体性能优胜且易于集成的一种新型D/A转换技能。
由于这种D/A构造的仿照电路相对传统数据转换器而言比较大略，迎合了VLSI技能的特点，故其运用领域迅速扩大。
除了作为得到高精度 D/A 转换器的紧张手段外，它也作为主要的接口技能在许多集成电子系统中得到利用。

芯片集成了4个16位∑-型D/A转换电路，目的是将数字补偿量转换为仿照量，紧张由插值滤波器、∑-调制器、低位D/A转换器和仿照低通滤波器四部分组成。
其事理框图如图3所示。

1.3 可编程增益放大器

PGA（Programmable Gain Amplifier）紧张实现传感器输出INP和INM的差分旗子暗记可编程增益放大功能，并完成输出旗子暗记的偏移量补偿。

PGA事理构造如图4所示。
电路采取全差分对称开关电容电路构造，用于肃清偶次谐波失落真，降落通路的噪声。
可编程增益放大和电路紧张由三部分组成，分别是固定增益开关电容放大器、实现偏移量补偿的编程增益放大器和双端至单端转换电路。
第一级实现固定增益放大和OFFSET的粗调IRO，个中IRO采取大略的3 bit DAC实现偏移量的补偿。
第二级采取可编程增益放大，通过调节输入电容的大小达到增益的调节，并实现OFFSET和OFFSET TC的偏移量补偿。
第三级实现双端到单真个转换，输出运放采取了轨对轨的输出构造，提高了PGA的输出摆幅。

1.4 物理设计

物理设计在选定工艺的根本上，遵照工艺设计原则，

按照系统架构进行布局，依据仿真结果对版图进行优化调度，利用数模稠浊工具进行整体芯片的全温范围下性能验证，同时进行了可靠性验证。

各电路模块的摆放考虑到旗子暗记的传输路径、仿照电路和数字电路隔离等一系列哀求。
版图分为仿照和数字两个部分，数字部分及IP Core放置于版图下端，仿照部分放置于版图上端，中间加有相应的隔离。
PGA模块置于仿照部分的中央，三级通路按照旗子暗记流向放置，ADC、DAC、CLK等模块则根据旗子暗记流向、旗子暗记线的长度及输出端口定义的位置等哀求作了最佳选择的放置。
模块间采取了双层ring隔离。
管芯尺寸2 mm2 mm，整体芯片物理设计如图5所示。

2 芯片测试

利用HKA2910芯片对一款压力传感器进行补偿校准，测试校准平台如图6所示，包括电源、试验温箱、压力装置和测试板卡。
原始压力传感器的偏移量和满量程在全体温度范围内的特性曲线如图7所示，个中输出电压量程仅有30 mV，偏移量和满量程的温度漂移最大超过30%。

在-60 ℃、-25 ℃、20 ℃、70 ℃和150 ℃对压力传感器进行补偿，补偿数据如表1所示。
全温度范围的补偿数据在测得的5个温度点补偿数据的根本上由软件算法得出，并将这些补偿数据写入芯片内置Flash。
校准后传感器在-55 ℃~150 ℃温度范围内的丈量精度达到0.2%。

补偿后传感器的偏移量和满量程在全体温度范围内的特性曲线如图8所示，经由补偿后传感器的精度极大提高，偏移量和满量程在-55 ℃~150 ℃温度范围内提升到了0.2%以内，终极传感器在压力范围内输出电压为0.5 V~4.5 V，且线性度良好。

与同类传感器调理芯片ZSC31050参数比拟如表2所示。

本文设计的高精度传感器旗子暗记调理芯片采取智能化的温度补偿系统构造，在-55 ℃~150 ℃温度范围内补偿精度可达到0.2%，单芯片实现高精度补偿，提高了军用电子传感器系统的精度与可靠性。
该芯片不仅在航空航天领域运用广泛，也可推广至汽车电子、工业掌握丈量、家电（电压力锅）和消费类电子等领域。

参考文献

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