被一个硅压阻式传感器逼出“所有”信号链知识

昨天的 MAX1452 适用的场景我没有展开说，只是写了一些参数，另外一位读者说这个东西的性能不好，这个我就不太知道了：

（可能确实是性能也不咋地）

确实也是到了不推荐新设计的尽头

确实也是到了不推荐新设计的尽头

但是对学习来说也是可以的，

最新的应该是这款了

最新的应该是这款了

一种硅传感器

传统的桥是一对电阻绕出来的，每一个桥臂的阻值大概是几百Ω，电流要十几 mA，硅这种就是MEMS 技术搞出来的，kΩ的桥臂，要求恒流以及输出信号大不少：

现在我能知道比较契合的就是这个了

现在我能知道比较契合的就是这个了

大概就是这样的，还是一个是奥松电子的东西：

也是一个压力传感器

也是一个压力传感器

这个电流就是硅压设计

这个电流就是硅压设计

HT19 系列压力芯体

这是一个经过厚膜补偿的恒流激励硅压阻式压力芯体：

恒流激励硅压阻全桥差分输出

内部包含扩散硅压阻桥、316L隔离膜片、硅油传压结构，以及用于零点和温度补偿的厚膜电阻网络；外部仍需设计恒流源、差分采集、滤波、ADC和整机校准。

最重要的参数：它要求1.5 mA恒流激励

资料中的：

供电电源：

应理解为：

引脚连接为：

第二页补偿原理图中的 、、、 是内部厚膜补偿网络， 表示四个硅压阻桥臂；引脚11、12参与内部补偿结构，但资料的用户接线表只定义了5、6、4、10，因此不应自行连接11、12，除非厂家另有说明。

恒流源需要多高的输出电压

芯体输入阻抗为：

在1.5 mA恒流下，芯体两端电压为：

最低：

最高：

所以：

或电源不能保证驱动所有芯体

即使5 V能够驱动输入阻抗接近3 kΩ的样品，也无法覆盖6 kΩ的最坏情况。

恒流源供电至少要满足：

考虑运放、晶体管和线路压降，可以：

如果电路所用运放或晶体管需要较大压差，使用15 V会更宽裕。

芯体功耗

最低：

最高：

这也是为什么不应擅自提高激励电流。因为电流提高会同时造成：输出增大；芯体自热增大；零点漂移增加；温度补偿条件被破坏。

例如把电流从1.5 mA提高到2 mA，功耗比例为：

即功耗提高约78%。

为什么必须使用恒流，而不是简单恒压

在近似线性范围内，硅压阻桥输出可以写成：

：压力；

：芯体压力—电阻变化转换系数；

：激励电流；

：零点输出。

因此：

激励电流变化0.1%，满度输出也近似变化0.1%。

而HT19的内部厚膜补偿网络，是在：

和25 ℃条件下调校的。如果改成固定5 V电压激励，由于不同芯体输入阻抗为3～6 kΩ，工作电流会变成：

不同样品之间电流可能相差一倍，满度输出和温度补偿都会改变。

所以：

应按资料规定采用恒流，不能用固定直接替代

恒流源精度和稳定度要求

恒流源的误差直接形成比例误差：

HT19本体最大非线性为：

重复性和迟滞最大为：

如果希望恒流源误差不明显劣化传感器性能，可分为三个设计等级。

基础工程级

对应1.5 mA：

足以用于一般工业采集。

精密采集级

对应：

这样激励误差小于传感器重复性和迟滞指标。

高分辨率实验级

短期稳定度可设计到：

即：

但这主要提高短期分辨率，不会自动消除HT19自身的非线性、迟滞和温漂。

推荐恒流源关键参数：

初始误差温漂输出顺从电压供电

电流设定电阻可以使用：0.05%或更高精度；；低电压系数；低长期漂移。

满幅输出究竟多大

所有输出参数均是在：

条件下测试的。

量程不超过20 kPa

标称满度输出：

典型范围可以理解为：

资料给出的最大离散范围为：

所以不同芯体可能为：

量程不低于35 kPa

标称满度输出：

最大离散范围：

所以应按：

设计前端。

这说明前端不能只按100 mV标称值设计，否则130 mV高灵敏度样品可能使放大器或ADC饱和。

零点输出要求

零压力时：

最大：

零点误差相对满度的比例为：

低量程50 mV满度

高量程100 mV满度

所以零点必须在系统中进行校准。

前端ADC要使用双极性差分模式，因为零点可能是：

也可能是：

而且负压、安装应力或温度变化也可能让输出跨过零点。

输出阻抗对前端的要求

资料给出的输出阻抗为：

这比350 Ω称重桥高得多，因此前端不能使用低输入阻抗。

若前端差分输入电阻为 ，输出衰减近似为：

例如最坏：

前端输入1 MΩ

加载误差约为：

已经大于传感器非线性指标。

前端输入10 MΩ

接近重复性和迟滞指标。

前端输入100 MΩ

基本可以忽略。

因此建议：

精密设计优先：

或者直接使用带输入缓冲的高阻ADC/PGA。

输入偏置电流

如果前端输入偏置电流不匹配为 ，在6 kΩ输出阻抗上产生：

例如：

10 nA

1 nA

所以建议：

更重要的是两输入偏置电流要匹配。

输出共模电压要求

差分输出只有50～130 mV，但两个输出引脚相对于In−的绝对电压通常位于桥激励电压中间附近。

近似：

因此：

而差分输出叠加在这个共模电压上：

最坏情况下：

较高的一端可能接近：

因此前端必须同时满足：能承受约4.6 V共模；在该共模下仍能测量几十毫伏差分；有足够CMRR；输入不能在靠近电源上轨时失效。

推荐前端直流共模抑制：

因为这里是“几伏共模上叠加几十毫伏差分”的典型桥式传感器条件。

前端允许的最大差分输入

设计时至少应覆盖：

对于高量程版本：

建议再保留20%左右余量：

因此：

额定测量差分范围至少应覆盖

压力过载指标不能直接用于计算输出，因为厂家只保证机械生存，不保证过载区仍线性。

如何实现比例式测量

HT19采用恒流激励，输出近似正比于激励电流：

可以让恒流源和ADC共用同一个基准。

设恒流源为：

传感器输出：

ADC输出：

代入后：

于是：

的绝对漂移一阶抵消

这相当于恒流激励下的比例测量。

此时主要误差来自：电流设定电阻 ；电阻分压比 ；运放失调和漂移；恒流源输出阻抗；传感器本身。

另一种方法：测量实际激励电流

可在电流回路中加入精密采样电阻：

ADC同时测量：

通道1：传感器差分输出 ； 通道2：电流采样电压 。

然后计算：

这样可以在软件中抵消恒流源的慢速漂移。

输入滤波器要求

输出阻抗最高6 kΩ，因此不能随意增加大串联电阻，一般前端输入的基础结构：

Out+ ──100Ω──┬──── AIN+
             │
           10～100 nF
             │
Out− ──100Ω──┴──── AIN−

可再从两个输入分别加入匹配的小共模电容：

AIN+ ──1～4.7 nF── AGND AIN− ──1～4.7 nF── AGND

差模电容与传感器输出阻抗形成低通。

若：

则近似截止频率：

这可以抑制射频和开关干扰，而压力测量的最终低频带宽主要由ADC数字滤波器决定；两个输入上的串联电阻；共模电容；走线寄生；应尽量匹配，否则会把共模干扰转换为差模误差。

ADC需要多少有效位

HT19最大重复性和迟滞为：

要分辨这个量级，至少需要：

也就是约11位有效分辨率。

若希望观察：

则需要：

所以从传感器本体精度看：

个稳定有效位已经非常充足

如果使用24位ADC的价值主要是：提供低噪声裕量；方便数字平均；便于零点和温度标定；在小量程变化中保持分辨率；但它不会让HT19本身获得24位绝对准确度。

把主要误差换算成电压

50 mV满度版本

最大非线性

重复性和迟滞

最大零点温度误差

低量程为：

对应：

最大满度温度误差

同样为：

100 mV满度版本

最大非线性

重复性和迟滞

最大零点温度误差

高量程为：

对应：

最大满度温度误差

同样约：

可以看出，系统误差排序通常为：

温度误差非线性重复性迟滞噪声

所以真正限制精度的通常不是AD7190，而是温度特性和传感器个体差异。

温度参数

资料给出了三个不同温度范围。

工作温度

表示器件可以在该范围内工作，但不意味着所有精度指标都保证。

补偿温度

低量程：

高量程：

零点和满度温度误差主要应在补偿温度范围内理解。

储存温度

仅表示非工作储存条件。

因此：

工作范围不等于精度保证范围

如果系统需要在 或 附近维持精度，需要自行做扩展温度标定。

温度补偿还需要做什么

HT19内部已经有厚膜温度补偿，但残余误差仍可达：在低量程零点和满度各最大±2%FS；高量程中零点和满度各最大±1%FS；如果需要更高精度，应在芯体附近增加温度传感器，并做二维校准：

例如：

至少建议标定：零压力、25%、50%、75%、100%FS；多个温度点；升压和降压过程。 如果只做两点校准，只能修正：零点；增益。

压力过载参数怎么理解

过载能力为：

额定量程

例如：

对100 MPa版本，实际过载比只有：

所以“3倍过载”并不适用于所有高压型号，过载指标只说明芯体不应永久损坏，不表示在过载区仍保持线性和温度精度。

绝缘参数

绝缘电阻

主要描述电气引线与金属壳体之间的隔离。

绝缘耐压

也是壳体与引线之间的耐压测试，不表示传感器内部桥可以承受500 V激励。

正常工作时桥两端只有约：

不能把500 VAC理解成激励范围。

后记

一个小小的传感器，逼出来了所有对信号链的考虑，本文章由一只 4 岁比熊全流程指导：

作为全太湖最懂信号链的狗，它说下次它来写

作为全太湖最懂信号链的狗，它说下次它来写

SO～建议前端总体指标为：

激励电流恒流顺从电压恒流源供电恒流初始误差恒流温漂差分范围输入共模范围至少覆盖前端输入阻抗输入偏置电流输入失调稳定有效分辨率

最关键的三点是：

必须使用恒流，不能直接用电压激励