多传感器模拟前端处理芯片及其在水环境监测系统中应用的研究

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随着物联网应用的快速普及,传感器在各领域的应用不断增加。模拟前端处理芯片架起了传感器与数字信息世界的桥梁,其主要功能是将传感器获取的信号进行降噪、放大、模数转换等基本信号处理。芯片的性能从源头上决定监测结果的准确性,因此,研究传感器模拟前端处理芯片具有重要的理论意义和应用价值。  论文针对多传感器模拟前端处理芯片开展研究,提出了一种多传感器模拟前端处理芯片架构和基于电容耦合式的宽带仪表放大器电路、新颖的波形产生电路、新型的高阶温度补偿带隙基准源电路、电荷积分器、跨阻放大器等电路。该芯片架构适用于多种电压型和电流型传感器。采用0.18μm标准CMOS工艺流片,芯片版图面积为3.3×2.2mm2。仿真和测试结果表明,模拟前端处理芯片的电流输入动态范围为1nA-100μA,电压输入动态范围为0-3.3V,电压灵敏度小于1mV。  论文的主要工作和创新点包括:  1、提出了一种适用于多种电压型和电流型传感器的多传感器模拟前端处理芯片架构和基于电容耦合斩波放大器的宽带仪表放大器电路。通过改变斩波频率适应不同的输入信号带宽;针对斩波调制引起的输出纹波干扰,采用连续时间自调零积分器的纹波抑制环路进行抑制;采用MOS电阻的直流失调消除环路得到了较低的高通截频;  2、深入研究了波形产生电路中的关键模块——数模转换器(DAC)各种结构的优缺点,折衷考虑了面积、转换速率和功耗,提出了一种新颖的基于串行电荷再分配DAC的结构,通过交替转换,克服了传统串行电荷再分配DAC结构建立时间过长的问题,并采用Stack Floating Class AB偏置的轨到轨运放提高了相位裕度;  3、针对传统带隙基准源电路的温度特性问题,深入研究了曲率补偿技术,提出了基于双带隙结构曲率补偿技术的带隙基准源电路。针对双带隙结构功耗较大的问题,通过引入饱和区的栅源电压差(△VGS)实现二阶系数不同的一阶补偿带隙结构,并采用自偏置方式避免了运放的使用,降低了电流消耗;  4、采用论文设计的模拟前端处理芯片应用于水环境多参数在线监测系统。测试结果表明,系统可以准确监测温度、pH(酸碱度)、KCN(氰化钾)等参数,为水环境实时监测提供了有效解决方案。
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