MAX1455：低成本高精度传感器信号调节器的设计与应用

引言

在传感器应用领域，信号调理是确保传感器输出准确、稳定的关键环节。今天要给大家介绍一款高度集成的传感器信号处理器——MAX1455，它专为电阻式元件传感器设计，能提供放大、校准和温度补偿功能，使整体性能接近传感器的固有重复性。

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一、产品概述

（一）主要特性

MAX1455具有诸多出色特性，为传感器信号调理提供了全面解决方案。它能提供放大、校准和温度补偿功能，可选择输出限幅，能适应5mV/V至40mV/V的传感器输出灵敏度，采用单引脚数字编程，无需外部微调组件，具备16位偏移和量程校准分辨率，拥有全模拟信号路径，PRT电桥可用于温度校正输入，片上查找表支持多点校准温度校正，频率响应快达3.2kHz，还集成了片上未使用的运算放大器，同时具备Secure - Lock™功能防止数据损坏。

（二）应用领域

MAX1455的应用范围广泛，涵盖压力传感器和变送器、压阻式硅传感器、应变计、电阻式元件传感器、加速度计、湿度传感器以及MR和GMR传感器等。

（三）封装形式

该产品有裸片形式，以及16引脚的SSOP和TSSOP封装可供选择，满足不同应用场景的需求。此外，Maxim还能针对高批量专用应用对MAX1455进行定制。

二、电气特性分析

（一）电源相关参数

在电源电压方面，范围为4.5V至5.5V，典型值为5.0V。电源电流（(I{DD})）由(I{DD1})和(I_{DD2})组成，典型值为3.0mA，最大值为6.0mA。振荡器频率在0.85MHz至1.15MHz之间，典型值为1MHz。

（二）模拟输入特性

输入阻抗为1MΩ，输入参考可调偏移范围在最小增益且偏移温度系数为0时可达±150mV，输入参考偏移温度系数在(T{A}=T{MIN})至(T_{MAX})时为±1µV/°C，放大器增益非线性度为0.025%，共模抑制比在指定共模电压范围内为90dB，最小和最大输入参考满量程输出（FSO）范围分别为7mV/V和40mV/V。

（三）模拟输出特性

最小和最大差分信号增益范围分别为39V/V和234V/V。输出限幅电压设置有多种选择，可根据不同需求进行调整。负载电流源和负载电流沉在特定条件下分别为1mA和2mA，直流输出阻抗为1Ω，偏移DAC输出比和偏移温度系数DAC输出比均为1.0V/V，阶跃响应时间为300µs，输出电容负载最大为1000nF，输出噪声在特定条件下为2.5mV RMS。

（四）电桥驱动特性

桥电流在(V_{BDR}≤3.75V)时，范围为0.1mA至2mA，典型值为0.5mA，电流镜比为12mA/mA，最小FSODAC代码推荐值为4000Hex。

（五）数模转换器特性

DAC分辨率为16位，不同DAC的位权重有所不同，如ODAC、FSODAC的位权重在DAC参考为(V{DD}= +5.0V)时为153µV/Bit，OTCDAC、FSOTCDAC在DAC参考为(V{BDR}= 2.5V)时为76µV/Bit。

（六）粗偏移DAC特性

IRODAC分辨率为3位（不包括符号位），位权重在输入参考且DAC参考为(V_{DD}= +5.0V)时为9mV/Bit。

（七）内部电阻特性

电流源参考电阻（(R{ISRC})）和满量程输出（FSO）微调电阻（(Delta R{STC})）均为75kΩ，电阻温度系数为1333ppm/°C，最小和最大电阻值分别为60kΩ和90kΩ，电阻匹配度为1%。

（八）辅助运算放大器特性

开环增益为90dB，输入共模范围为(V{SS})至(V{DD})，输出摆幅在无负载且(T{A}=T{MIN})至(T{MAX})时为(V{SS}+ 0.01V)至(V_{DD}- 0.01V)。

三、功能详细剖析

（一）信号处理与补偿

MAX1455为传感器信号提供模拟放大路径，采用数字控制的模拟路径进行非线性温度校正。对于PRT应用，有一阶温度校正的模拟架构。校准和校正通过改变PGA的偏移和增益以及传感器电桥激励电流或电压来实现。PGA采用开关电容CMOS技术，输入参考偏移微调范围超过±150mV，分辨率约为3µV（16位），增益值在16个步骤中从39V/V到234V/V变化。

（二）偏移校正

初始偏移校正通过信号增益放大器输入级的粗偏移设置完成，最终偏移校正通过温度索引查找表实现。片上温度传感器以约1.5°C的索引分辨率从-40°C到+125°C提供唯一的16位偏移微调值，每毫秒对偏移查找表进行索引，将结果值传输到偏移DAC寄存器，以±76µV（±0.0019% FSO）的分辨率补偿传感器偏移。

（三）FSO校正

FSO增益校准由两个功能块控制。首先，通过数字选择PGA的增益设置粗增益；其次，FSODAC根据EEPROM中FSO查找表的温度索引参考设置传感器电桥电流或电压。FSO校正同样通过温度索引查找表实现，片上温度传感器以约1.5°C的索引分辨率从-40°C到+125°C提供唯一的FSO微调值。

（四）线性和非线性温度补偿

通过向偏移温度系数（offset TC）和满量程输出温度系数（FSOTC）寄存器写入16位校准系数，可补偿一阶温度误差。由于传感器的温度系数电阻（TCR），压阻式传感器由电流源供电会导致温度相关的电桥电压。offset TC DAC和FSOTC DAC的参考输入连接到电桥电压，其输出电压随电桥电压的温度变化而跟踪，通过改变offset TC和FSOTC数字代码，利用部分温度相关的电桥电压补偿一阶温度误差。

四、典型电路设计

（一）比例式输出电路

比例式输出配置提供与电源电压成比例的输出，可应用于比例式ADC以产生与电源电压无关的数字值。MAX1455只需最少的外部组件即可实现高性能比例式输出，包括一个电源旁路电容和一个可选的输出EMI抑制电容。

（二）非比例式输出电路

非比例式输出配置允许传感器电源在较宽范围内变化。电路中通常会集成一个低压差电压调节器（如MAX1615），为MAX1455提供稳定的电源和参考。这种配置适用于输入电压范围较宽且系统A/D或读出设备不支持比例式操作的情况。

五、内部寄存器与通信

（一）内部校准寄存器

MAX1455有五个16位内部校准寄存器（ICRs），可从EEPROM加载数据，也可通过串行数字接口加载。数据加载分为三种情况：正常操作的上电初始化序列、正常操作的连续刷新以及校准操作时通过串行通信更新寄存器。

（二）内部EEPROM

内部EEPROM组织为768×8位的存储器，分为12页，每页64字节，可单独擦除。它包含配置寄存器、偏移校准系数表、偏移温度系数寄存器、FSO校准系数表、FSO温度校正寄存器以及52字节（416位）供用户编程制造数据（如序列号和日期）。补偿值可在校准期间通过串行数字接口直接加载到寄存器，也可在上电时自动从EEPROM加载。

（三）数字模式与通信协议

MAX1455通过DIO提供的单引脚串行接口访问控制功能和存储器。通信协议采用异步串行数据通信，能自动检测主机计算机的波特率，数据格式为1个起始位、8个数据位和1个停止位，数据位按LSB先、MSB后传输。通信仅在Secure - Lock字节禁用（(CL[7: 0]=00 HEX)）或UNLOCK引脚为高电平时允许。

（四）初始化与重新初始化序列

上电后或收到重新初始化命令后，发送的第一个命令字节（01hex）用于MAX1455学习通信波特率。重新初始化序列为1字节的FFhex传输，收到该序列后，接收逻辑重置为上电状态，等待初始化序列以重新建立波特率。

（五）串行接口命令格式

所有通信命令遵循起始位、8个命令位（命令字节）和停止位的格式。命令字节由4位接口寄存器集地址（IRSA）半字节和4位接口寄存器集数据（IRSD）半字节组成。部分寄存器内容用于数据保存和导向信息，对IRS中特定地址的数据写入会立即执行命令。

（六）串行数字输出

通过向CRIL位置写入Read IRS（RDIRS）命令（5hex），可将DIO配置为数字输出。MAX1455会输出一个字节的数据，内容由IRS指针（IRSP[3:0]）值决定。

六、传感器补偿与校准

（一）补偿概述

传感器补偿需要在工作压力和温度范围内检查传感器性能，至少使用两个测试压力（如零和满量程）和两个温度。典型补偿程序包括设置参考温度（如25°C），初始化传感器，设置初始电桥电压，校准输出偏移和FSO，存储校准数据；然后设置下一个测试温度，重复校准和存储数据，计算校正系数，下载到EEPROM并进行最终测试。

（二）校准示例

以一个MAX1455和初始偏移为16.4mV、量程为55.8mV的压阻式传感器为例，经过补偿后，可转换为偏移为0.5000V、量程为4.0000V的补偿式传感器，非线性传感器偏移和FSO温度误差从20% - 30% FSO降低到±0.1% FSO以下。

七、评估套件

为了加快基于MAX1455的传感器和测试系统的开发，Maxim推出了MAX1455评估套件。该套件包括带有或不带有硅压力传感器的评估板、设计/应用手册、MAX1455通信软件以及接口适配器，方便用户对MAX1455进行手动编程和评估。

总结

MAX1455作为一款低成本高精度的传感器信号调节器，凭借其丰富的功能、出色的电气特性和灵活的配置，为传感器信号调理提供了可靠的解决方案。无论是在工业、汽车还是其他领域的传感器应用中，都能发挥重要作用。电子工程师在设计相关系统时，可以充分利用MAX1455的特点，实现传感器的准确测量和稳定输出。大家在实际应用中是否遇到过类似的传感器信号调理问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。