傳感器補償歷來基于模擬架構。最近，用于數字傳感器信號處理（DSSP）的高性能計算引擎的出現使這種架構可用于壓力傳感器。因此，用于調節和轉換壓力傳感器輸出的下一代集成電路（IC）將采用DSSP架構。本應用筆記詳細介紹了MAX1460傳感器信號調理器中使用的DSSP架構。

硅基壓力傳感器MEMS（微機電傳感器）的主要消費者仍然是汽車市場。1999年，傳感器占汽車電子支出12.10億美元的67%（來源：戰略分析）。隨著傳感器開發擴展現有應用并實現新的汽車功能，這一趨勢應該會繼續下去。在汽車市場推出的新型信號處理和信號轉換架構中，有一款（MAX1460）能夠比現有的基于MEMS的傳感器提供更高水平的傳感器性能。

MEMS壓力傳感器的特性

當今為汽車市場生產的大多數MEMS壓力傳感器都由一個四電阻惠斯通電橋組成，該電橋采用體蝕刻微加工技術在單個單片芯片上制造。集成在傳感器芯片中的壓阻元件位于壓力傳感膜片的外圍，位于適合應變測量的點處（見圖1）。這些傳感器價格低廉，因為它們被加工成集成電路，在可能包含幾百到幾千個傳感元件的晶圓上。

圖1.典型的硅壓力傳感器具有右圖所示的等效電路。

在橋梁配置中，對角線相對的支腿的阻力在相同的方向上變化，這是壓力引起的機械變形的函數。當一組對角線相對的腿的阻力在壓力下增加時，另一組腿的阻力減小，反之亦然。電壓或電流形式的電橋激勵施加在電橋的兩個相對角上。如圖1中的+Exc和-Exc所示，這些端子通常稱為“激勵輸入”或“橋式驅動輸入”。

電阻（即壓力）的任何變化都被檢測為電橋其他兩個角（+圖1中的Vout和-Vout）的電壓差，通常稱為“電橋輸出”或“信號輸出”。不幸的是，對于硅壓阻式傳感器來說，這種電壓差非常小（幾十毫伏）。此外，未補償傳感器的全跨度輸出（FSO）可能會表現出對溫度的強烈非線性依賴性，較大的初始偏移（高達FSO的100%或更多），以及偏移隨溫度的強烈漂移。FSO定義為對應于最大和最小施加壓力的傳感器輸出差。因此，傳感器在使用前必須經過補償。

集成集成電路進行補償的傳感器已經存在多年。通常，這種補償基于模擬架構（此處稱為模擬傳感器信號處理或ASSP）。用于數字傳感器信號處理（DSSP）的精細幾何CMOS和高性能計算引擎的出現最近使這種架構可用于壓力傳感器。因此，用于調節和轉換壓力傳感器輸出的下一代IC將采用DSSP架構。

模擬傳感器信號處理 （ASSP）

集成ASSP的第一代IC通常只包括差分到單端放大器。傳感器的所有性能特性都被放大和傳遞，使傳感器制造商承擔了確定傳感器性能的負擔。通常，壓力傳感器信號和溫度信號被呈現給電子控制單元（ECU），該單元使用查找表來獲得合理的壓力估計。

這些架構用于發動機管理模塊，以處理表示氣壓 （BAP） 和歧管氣壓 （MAP） 的數據。這些設計在模擬域中執行校準和補償。為了存儲傳感器特定的數據，使用了模擬“存儲器”組件，如電位計、分立電阻器或電容器（其中一些與溫度相關）和激光調整電阻器。這種方法的主要問題如下：

傳感器的非線性導致補償精度受限

激光修剪機和其他自動化設備成本高

測試和修整通常需要多次設置

高元件數，防止小型化

同樣基于ASSP架構的第二代補償器件由集成非易失性存儲器（如EPROM或EEPROM）和低分辨率數模轉換器（DAC）的小特征硅IC實現。為了調整FSO和失調，這些架構使用DAC將每個存儲的數字系數轉換為模擬電壓，然后再將其應用于模擬放大電路。

有兩個因素限制了早期設計的性能：使用低分辨率（8位和10位）DAC，以及使用連接到信號轉換IC的分立式溫度檢測器件。通過引入12位和16位DAC，以及將比例溫度傳感器集成到IC中，第二波架構得到了極大的增強。一階溫度補償，其中溫度信號位于IC本身的本地，完全由信號轉換IC執行。在典型的汽車工作溫度范圍（-2°C至40°C）內，傳感器性能提高了125%或更多，在工業應用中提高了0.1%。

數字傳感器信號處理 （DSSP）

第三代DSSP架構風格的特點是全數字補償和糾錯方案。超精細幾何形狀的混合信號CMOS IC技術使復雜的數字信號處理器（DSP）能夠集成到傳感器補償器IC中。DSP專為執行傳感器補償計算而設計，使傳感器輸出能夠實現傳感器固有的所有精度。從理論上講，線性化一階和二階溫度對全跨輸出（FSO）和偏移的影響可以使整體線性度與溫度的關系優于傳感器本身。

作為背景，請考慮幾個關鍵因素對于使這種第三波架構成功至關重要：

傳感器在整個溫度和壓力范圍內的可重復性

高分辨率 A/D 轉換（最低 16 位）

具有 16 位乘法和加法的計算引擎

數字邏輯和信號轉換電路之間的同步操作

所有模擬信號處理子系統的比例操作

高分辨率（最小 12 位）數模轉換器

低功耗

此外，請考慮以下有關數字信號處理的一般規則：

傳感器的穩定性、重復性和遲滯無法通過計算得到改善。

計算可能會降低信號分辨率，但絕不會增加信號分辨率。

輸出信號精度將小于輸入信號分辨率。

上述規則和技術要求將適用于壓力傳感器的溫度補償。在補償之前，其失調和量程隨溫度的變化可能大于10%（見圖2）。在這些曲線中還可以看到指示二階效應的輕微非線性曲率。補償這些溫度誤差需要使用通用的溫度線性化公式：

DOUT = Gain × (1/2 + G1× T + G2 × T2) × (Signal + Of0 + Of1× T + Of2 × T2) + DOFF (1),

其中

這個方程的計算需要加法和乘法。雖然從等式中沒有明確明顯，但還需要第三個算術運算（否定）。為了保持最高水平的精度，所有算術運算都應以輸入信號的分辨率執行，在本例中為 16 位。

圖2.輕微曲率表示該壓阻式換能器的輸出中存在二階效應。

現在，新的器件MAX1460可用于執行補償壓力傳感器所需的算術運算，公式1為。由于該器件可以對其板載ADC數字化的壓力傳感器信號執行這些算術運算（使用其板載處理器），因此稱為智能ADC。參見圖 3。

圖3.該圖結合了MAX1460信號調理器的框圖和應用原理圖。

審核編輯：郭婷