LMP93601：用于热电堆传感器的高性能模拟前端

在电子设计领域，热电堆传感器的应用日益广泛，像建筑自动化里的 HVAC 系统控制、手势识别等。而与之匹配的模拟前端（AFE）芯片的性能，对整个系统的表现起着关键作用。今天咱们就详细聊聊德州仪器的 LMP93601 这款专为热电堆传感器精心设计的 AFE。

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一、LMP93601 概述

LMP93601 是一款针对最大 16 x 16 的占用检测热电堆阵列和热电堆质量流量传感器优化的 AFE。它封装形式为无铅 WQFN - 24，把出色的噪声性能、低失调电压、高增益和低功耗等优点集于一身，采样速率也很适合热电堆传感器的监测。

1.1 主要特性

• 高增益与低增益误差漂移：增益可编程，最高能到 4096，增益误差漂移小于 (10 ppm/^{circ }C)。这意味着在不同温度环境下，传感器信号能稳定放大，测量精度更有保障。
• 低失调电压与漂移：失调电压仅 1 μV，漂移低至 50 nV/°C。即使在微弱信号检测时，也能有效降低误差。比如在热电堆传感器输出信号只有微伏级别的情况下，低失调电压能确保信号准确放大。
• 低输入偏置电流和失调电流：输入偏置电流为 1.3 nA，输入失调电流 120 pA。这有助于减少信号源的负载效应，提高测量精度。
• 低噪声性能：有效位数（ENOB）达 15.3 位，能在低噪声环境下精确采集信号。在对信号质量要求极高的应用中，低噪声性能可保证信号的真实性。
• 多输出数据速率：有四种输出数据速率可选，最高达 1.3 kSPS，能适应不同的采样需求。像快速变化信号的测量，就可以选择较高的数据速率。
• 内部电压参考与 SPI 接口：ADC 有内部电压参考，SPI 接口传输速率达 20 MHz，方便与微控制器通信，实现数据的快速传输。
• 多种检测功能：具备欠压检测、PGA 过范围检测等功能，增强了系统的稳定性和可靠性。当电源电压异常或信号超出范围时，能及时反馈并采取相应措施。
• 低功耗：正常工作电流 1.1 mA，低功耗关断模式下电流小于 (0.1 mu A)，适合对功耗要求严格的应用。

1.2 引脚配置与功能

该芯片有 24 个引脚，不同引脚各司其职，像模拟输入引脚负责接收传感器信号，数字输入输出引脚用于与外部设备通信等。使用时需注意，所有“GND”连接（AGND、DGND 和 IOGND）都要连接到系统地，不能悬空，这样才能保证芯片正常工作。

二、电气特性与性能指标

2.1 绝对最大额定值

使用时要严格遵守芯片的绝对最大额定值，比如模拟电源电压 AVDD 范围是 - 0.3V 到 6.0V，超过这个范围可能会损坏芯片。

2.2 推荐工作条件

模拟电源电压 AVDD 推荐范围是 2.7V 到 5.5V，数字电源电压 IOVDD 范围是 2.7V 到 AVDD，时钟频率 Fclk 为 3.6 到 4.4 MHz。在这些条件下使用，芯片能发挥最佳性能。

2.3 电气特性

包括输入阻抗、输入偏置电流、失调电流、增益误差等参数。例如输入差分阻抗为 10//7 MΩ//pF，能减少信号衰减。此外，还给出了不同条件下的噪声性能曲线，不同的输出数据速率（ODR）和 PGA 增益下，噪声水平会有所不同。工程师可根据实际需求，选择合适的参数组合，以平衡噪声和数据速率。

三、功能模块详解

3.1 可编程增益放大器（PGA）

PGA 输入阻抗高，能与输出阻抗较高的信号源（如热电堆）完美匹配。增益可编程为 16、32、64 和 128 V/V，不同增益下最大差分输入电压不同。比如增益为 16 V/V 时，最大差分输入电压为 ±64 mV。同时，PGA 还集成了 EMIRR 滤波器，能增强对射频信号的抗干扰能力，使信号更稳定。

3.2 模数转换器（ADC）

16 位 Sigma Delta 调制器（SDM）将 PGA 的输出信号转换为高分辨率比特流，再由数字滤波器进一步处理。内部产生的 2.4 V 参考电压需要在 XCAP1 引脚外接高性能电容，以保证最佳性能。

3.3 可编程数字滤波器

位于 SDM 之后，可根据不同的采样速率（如 265、530、1057 或 1326 SPS）进行编程，它能对信号进行滤波和抽取，降低数据速率和带宽，同时提高分辨率，使输出信号更平滑。

3.4 共模电压发生器（VCM）

提供 AVDD/3 的参考电压，可驱动外部电容，还能用于减少 PCB 漏电。若不需要 VCM，可通过参考使能寄存器禁用它，但需外接共模电压作为参考。

3.5 低 dropout 稳压器（LDO）

片上 LDO 为数字核心生成 1.2V 电压，XCAP2 引脚需外接电容提供电源旁路。不过，LDO 不能用于驱动外部电路。

3.6 同步串行外设接口（SPI）

通过 4 线同步接口与外部设备通信，一个典型的串行接口访问周期为 16 位，包含 8 位命令字段和 8 位数据字段。通过 SPI 可配置芯片的各种参数，实现灵活控制。

四、应用案例与设计要点

4.1 典型应用

在 HVAC 系统中，热电堆传感器检测室内人员的存在和运动，LMP93601 对传感器输出的微弱信号进行放大和数字化处理，根据检测结果控制 HVAC 系统的开关，实现节能。

4.2 设计要点

• 电源供应：LMP93601 需要 AVDD 和 IOVDD 两个电源，推荐 MCU 和 IOVDD 共享同一电源，AVDD 由单独的稳压器供电。电源范围要在 2.7V 到 5.5V 之间，且 IOVDD 不能超过 AVDD。
• 布局设计：输入信号布线要对称，避免引入差分噪声。AVDD 和 IOVDD 需进行适当的电源解耦，旁路电容要靠近电源引脚。模拟和数字组件要分开布局，减少相互干扰。此外，建议在数字输入输出引脚串联 47 Ω 电阻，抑制过冲和提供过压保护。

五、编程与使用注意事项

5.1 编程

包括数据和状态捕获窗口、单字节和多字节访问模式等。数据和状态读取要在连续的 DRDYB 下降沿之间进行，以确保数据的准确性。

5.2 使用注意事项

使用时要注意静电防护，避免 ESD 损坏芯片。在 PGA 旁路模式下，要严格按照指定的 SPI 写入顺序操作，否则可能导致芯片无响应。此外，在电源上电和复位时，要遵循规定的顺序，避免出现错误的欠压报告。 总之，LMP93601 以其出色的性能和丰富的功能，为热电堆传感器应用提供了优秀的模拟前端解决方案。不过，在实际设计中，工程师还需结合具体应用场景，充分考虑各种因素，才能使芯片发挥出最佳性能。