0 引言

    阻性傳感器具有靈敏度高、穩定性好、頻率響應范圍寬、易于小型化、便于批量生產與使用方便等特點，是一種發展迅速、應用廣泛的新型傳感器，多用于航空惡劣環境中進行飛行氣動參數、液壓、油壓等系統測量。但是由于傳感器材料的溫度特性，壓阻傳感器在不同溫度下使用時會發生溫度漂移，且存在非線性輸出的問題，在很大程度上影響了壓阻傳感器的測量精度^[1-2]。

    針對傳統阻性傳感器補償方法^[3-6]存在的不足，本文提出了一種新型單芯片智能化的補償思路和方案，該方法利用集成電路技術，將溫度傳感器、16位∑-Δ型D/A轉換器和可編程增益放大等復雜電路集成于單顆芯片。以此芯片構建的傳感器系統，通過補償校準和擬合算法確定工作溫度范圍內的所有溫度補償參數，實現了對壓阻傳感器溫度漂移的高精度補償，滿足了航空電子傳感器系統高集成度、低功耗、小型化、高精度的發展需求。

1 芯片設計

    HKA2910結構包含一個可編程傳感器激勵、一個16級可編程增益放大器(PGA)、一個768字節(6144位)內部FLASH，四個16位DAC、一個通用的運算放大器以及一個內嵌的溫度傳感器，原理結構如圖1所示。下面就溫度傳感器設計、16位∑-Δ型D/A 轉換電路和16級可編程增益放大器做詳細說明。

1.1 寬溫范圍CMOS溫度傳感器電路

    集成溫度傳感器主要由溫度檢測電路和模數轉換器等電路構成，如圖2所示。溫度檢測電路是檢測芯片內部溫度并產生一個與溫度成比例的電壓值，該電壓值被送入模數轉換器中，經過模數轉換器的處理，輸出與溫度相關的數字信號。

該電路采用模數轉換器對寬溫范圍(-70 ℃~185 ℃)的電壓信號進行加權計算，將兩種不同溫度特性和參數的輸入電壓轉換成與溫度一一對應的數字信號。利用CMOS的寬溫度特性和電路加權處理得到穩定的溫度解析度，將感溫元件和先進計算電路集成在同一芯片上，僅需較小的面積和功耗，就能達到穩定溫度精度輸出的目的。電路結構簡單，溫度范圍廣且精度高。

1.2 16位∑-Δ型D/A 轉換電路

    ∑-Δ型D/A轉換技術是通過采用通信中的∑-Δ調制器來達到在數字域進行高精度的信號處理，在模擬域進行低精度信號處理，從而獲得整體性能優越且易于集成的一種新型D/A轉換技術。由于這種D/A結構的模擬電路相對傳統數據轉換器而言比較簡單，迎合了VLSI技術的特點，故其應用領域迅速擴大。除了作為獲得高精度 D/A 轉換器的主要手段外，它也作為重要的接口技術在許多集成電子系統中得到運用。

    芯片集成了4個16位∑-Δ型D/A轉換電路，目的是將數字補償量轉換為模擬量，主要由插值濾波器、∑-Δ調制器、低位D/A轉換器和模擬低通濾波器四部分組成。其原理框圖如圖3所示。

1.3 可編程增益放大器

    PGA（Programmable Gain Amplifier）主要實現傳感器輸出INP和INM的差分信號可編程增益放大功能，并完成輸出信號的偏移量補償。

    PGA原理結構如圖4所示。電路采用全差分對稱開關電容電路結構，用于消除偶次諧波失真，降低通路的噪聲。可編程增益放大和電路主要由三部分組成，分別是固定增益開關電容放大器、實現偏移量補償的編程增益放大器和雙端至單端轉換電路。第一級實現固定增益放大和OFFSET的粗調IRO，其中IRO采用簡單的3 bit DAC實現偏移量的補償。第二級采用可編程增益放大，通過調節輸入電容的大小達到增益的調節，并實現OFFSET和OFFSET TC的偏移量補償。第三級實現雙端到單端的轉換，輸出運放采用了軌對軌的輸出結構，提高了PGA的輸出擺幅。

1.4 物理設計

    物理設計在選定工藝的基礎上，遵循工藝設計原則，按照系統架構進行布局，依據仿真結果對版圖進行優化調整，使用數模混合工具進行整體芯片的全溫范圍下性能驗證，同時進行了可靠性驗證。

    各電路模塊的擺放考慮到信號的傳輸路徑、模擬電路和數字電路隔離等一系列要求。版圖分為模擬和數字兩個部分，數字部分及IP Core放置于版圖下端，模擬部分放置于版圖上端，中間加有相應的隔離。PGA模塊置于模擬部分的中心，三級通路按照信號流向放置，ADC、DAC、CLK等模塊則根據信號流向、信號線的長度及輸出端口定義的位置等要求作了最佳選擇的放置。模塊間采用了雙層ring隔離。管芯尺寸2 mm×2 mm，整體芯片物理設計如圖5所示。

2 芯片測試

    利用HKA2910芯片對一款壓力傳感器進行補償校準，測試校準平臺如圖6所示，包括電源、試驗溫箱、壓力裝置和測試板卡。原始壓力傳感器的偏移量和滿量程在整個溫度范圍內的特性曲線如圖7所示，其中輸出電壓量程僅有30 mV，偏移量和滿量程的溫度漂移最大超過30%。

    在-60 ℃、-25 ℃、20 ℃、70 ℃和150 ℃對壓力傳感器進行補償，補償數據如表1所示。全溫度范圍的補償數據在測得的5個溫度點補償數據的基礎上由軟件算法得出，并將這些補償數據寫入芯片內置Flash。校準后傳感器在-55 ℃~150 ℃溫度范圍內的測量精度達到0.2%。

    補償后傳感器的偏移量和滿量程在整個溫度范圍內的特性曲線如圖8所示，經過補償后傳感器的精度極大提高，偏移量和滿量程在-55 ℃~150 ℃溫度范圍內提升到了0.2%以內，最終傳感器在壓力范圍內輸出電壓為0.5 V~4.5 V，且線性度良好。

    與同類傳感器調理芯片ZSC31050參數對比如表2所示。

    本文設計的高精度傳感器信號調理芯片采用智能化的溫度補償系統結構，在-55 ℃~150 ℃溫度范圍內補償精度可達到0.2%，單芯片實現高精度補償，提高了軍用電子傳感器系統的精度與可靠性。該芯片不僅在航空航天領域應用廣泛，也可推廣至汽車電子、工業控制測量、家電（電壓力鍋）和消費類電子等領域。

參考文獻

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