LMP91050：用于非色散红外（NDIR）传感应用的可配置AFE

在电子工程领域，传感器模拟前端（AFE）对于准确采集和处理传感器信号至关重要。德州仪器（TI）的LMP91050是一款专为非色散红外（NDIR）传感应用优化的可编程集成AFE，下面我们来详细了解它。

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一、关键特性与规格

特性亮点

• 可编程增益放大器：提供低增益（167 V/V - 1335 V/V）和高增益（1002 V/V - 7986 V/V）两种模式，每种模式有四个可编程增益设置，能适应不同灵敏度的热电堆传感器。
• 暗信号偏移消除：通过内部DAC调整输出电压的直流偏移，补偿暗信号，确保系统在不同温度下的准确性。
• 支持外部滤波：可通过专用引脚A0和A1进行额外的信号滤波（高通、低通或带通），有效去除带外噪声。
• 共模发生器和8位DAC：共模电压可编程为1.15 V或2.59 V，增加输出动态范围；DAC用于调整输出偏移。

关键规格参数

参数	详情
可编程增益	167 to 7986 V/V
低噪声（0.1 to 10 Hz）	0.1 μVRMS
增益漂移	最大100 ppm/°C
相位延迟漂移	最大500 ns
电源电压范围	2.7 to 5.5 V

二、应用领域

LMP91050的应用十分广泛，主要集中在NDIR传感相关领域：

• 需求控制通风：精确监测室内空气质量，实现智能通风控制。
• 建筑监测：实时监测建筑物内的气体浓度，保障环境安全。
• 汽车二氧化碳座舱控制：维持车内二氧化碳浓度在合理范围，提升驾乘舒适度。
• 汽车酒精检测：快速准确检测驾驶员酒精含量，保障行车安全。
• 工业安全与保障：对工业环境中的有害气体进行监测，预防事故发生。
• 温室气体和氟利昂检测平台：助力环境保护和工业生产中的气体监测。

三、详细描述

功能框图与工作原理

LMP91050的输入通道有两个可编程增益级，用户可灵活优化系统增益。内部DAC能独立于提供给传感器的共模电压调整输出电压的直流偏移，使采样信号在ADC满量程输入范围内居中。

特性详细说明

1. 可编程增益放大器：通过GAIN1和GAIN2[1:0]位可访问所有增益设置。高增益模式下，输入信号参考内部生成的VCM电压，应在±2 mV以内；低增益模式下，第一级提供42 V/V的增益，允许最大输入信号达±12 mV。
2. 外部滤波：通过EXT_FILT位可选择两种测量模式。当EXT_FILT = 1时，可连接外部低通、高通或带通滤波器。
3. 偏移调整：先测量暗信号，然后编程DAC进行调整，再测量暗信号的残余量，以便在微控制器内进行进一步的信号处理。低输出偏移电压温度漂移（TCVOS）确保了系统在不同温度下的准确性。
4. 共模生成：为传感器提供可编程的共模电压（1.15 V或2.59 V），但不建议在3.3 V电源下使用2.59 V的VCM。
5. CSB和SCLK：CSB是低电平有效信号，在一次交易中需保持有效；SCLK在写交易时可空闲为高或低，但读交易时必须空闲为高。

设备功能模式与编程

1. 功能模式：读取LMP91050的寄存器时，需使用特殊序列写入SDIO模式使能寄存器。在读取过程中，模拟OUT引脚仍正常工作。
2. 编程：通过SPI接口对设备参数进行编程，包括两级PGA增益、启用外部滤波、启用PGA电源、偏移调整和共模电压等。SPI接口的寄存器组织为可单独寻址的字节长寄存器，具有唯一地址。

四、应用与实现

典型应用电路

典型的NDIR传感应用电路中，需要确定热电堆的特性、合适的增益和共模电压，选择支持所需分辨率和更新速率的模数转换器，确定级间低通滤波器的带宽，并通过SPI接口与微控制器或其他逻辑设备连接以配置LMP91050。

设计步骤

1. 选择合适的级间带通滤波器带宽，将共模电压（CMOUT）连接到热电堆和带通滤波器。
2. 在OUT引脚和ADC输入之间插入低通滤波器，进一步降低信号噪声并防止混叠。
3. 进行电源旁路处理，确保电源稳定。
4. 根据热电堆特性，选择要编程到LMP91050中的共模电压和增益，使热电堆的预期动态范围在ADC满量程范围内居中，并补偿信号路径中滤波器的损耗。
5. 可通过编程内部DAC进一步优化OUT引脚的信号范围。

五、电源与布局建议

电源建议

由于LMP91050用于采样数据系统，需确保电源噪声在可接受水平以下。虽然该设备在宽频率范围内具有出色的电源抑制能力，但仍需进行适当的电源旁路处理。若使用开关电源，可能需要额外的滤波。

布局指南

所有组件应尽可能靠近设备放置，特别是连接到VDD的旁路电容器。合理的布局有助于减少噪声干扰，提高系统性能。

六、总结

LMP91050凭借其丰富的特性和出色的性能，为NDIR传感应用提供了一个完整的信号路径解决方案。电子工程师在设计相关系统时，可根据具体需求灵活配置该设备，充分发挥其优势，实现高精度的传感器信号采集和处理。你在使用LMP91050的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。