本發(fā)明涉及一種壓阻式壓力傳感器的補(bǔ)償電路，適用于傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息社會(huì)中奪人眼球、發(fā)展迅速的一種高科技技術(shù)，是獲取信息獲取科學(xué)與技術(shù)的關(guān)鍵。傳感器作為連接自然界的物理量與電信號(hào)之間的窗口，通過(guò)一定的規(guī)律把需要的被測(cè)自然界信息按一定線性比例轉(zhuǎn)換為能夠用于數(shù)字信號(hào)處理器或者單片機(jī)等進(jìn)行處理的可測(cè)量信號(hào)。傳感器作為測(cè)量系統(tǒng)中的主軸，是系統(tǒng)得以準(zhǔn)確完成測(cè)量和處理任務(wù)的關(guān)鍵要素。而在近幾十年來(lái)，傳感器的檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與信息處理和傳輸技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重不匹配，從而成為信息技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。因此，傳感器在信息社會(huì)的這一關(guān)鍵地位是促使大量技術(shù)研究人員不斷攻堅(jiān)的主要因素。

利用硅材料的壓阻效應(yīng)原理制造而成的壓阻式壓力傳感器，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已成為一個(gè)為工業(yè)和醫(yī)療等方面提供檢測(cè)的重要設(shè)備。壓阻式壓力傳感器與之前較為傳統(tǒng)的壓力傳感器比較，其具有精度高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、尺寸小、成本低等特點(diǎn)。但由于硅材料的溫度特性會(huì)對(duì)傳感器的靈敏度和測(cè)量精度產(chǎn)生很大的影響，所以，對(duì)壓阻式壓力傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償是一個(gè)值得關(guān)注的重要課題。其補(bǔ)償電路一般由PTAT，電流源、放大電路和激光修調(diào)電阻組成。這些補(bǔ)償方式較為傳統(tǒng)和簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)的傳感器補(bǔ)償，主要是集中在零點(diǎn)和溫漂的補(bǔ)償上。傳感器的零點(diǎn)漂移可通過(guò)在惠斯通電橋上串聯(lián)或并聯(lián)溫度敏感元件(如：熱敏電阻、二極管)的方法來(lái)解決。使用這種原理性的原始補(bǔ)償方法會(huì)有類(lèi)似于如下的缺點(diǎn)：激光修調(diào)電阻設(shè)備價(jià)格昂貴、使用效率低下、操作復(fù)雜、精度不高和補(bǔ)償電阻也并不是在溫度變化時(shí)不產(chǎn)生漂移的等。因此設(shè)計(jì)一種工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、精度高、成本較低的補(bǔ)償電路很有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種壓阻式壓力傳感器的補(bǔ)償電路，電路工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、精度高、成本較低，適應(yīng)性好，克服了傳統(tǒng)補(bǔ)償器價(jià)格昂貴、使用效率低下、操作復(fù)雜、精度不高的缺點(diǎn)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

本電路是利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)應(yīng)用，作為控制電路來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)補(bǔ)償方法中修調(diào)電阻的作用。利用DAC和存儲(chǔ)器在模擬通路處理信號(hào)并代替了修調(diào)電阻的功能，將DAC產(chǎn)生的調(diào)整量輔以一些功能電路來(lái)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。為使傳感器輸出信號(hào)更加線性化和在電路中可以調(diào)節(jié)增益這兩個(gè)目標(biāo)，可以將傳感器原始輸出信號(hào)放大后與DAC產(chǎn)生的補(bǔ)償信號(hào)相加后的信號(hào)反饋到前置放大器中來(lái)。

信號(hào)補(bǔ)償電路的主要結(jié)構(gòu)包括偏置產(chǎn)生電路、帶隙基準(zhǔn)電路、前置放大器OP1,輸出放大器OP2、滿量程范圍調(diào)節(jié)及滿量程溫度系數(shù)補(bǔ)償核心電路、DAC1、 DAC2、零點(diǎn)溫度系數(shù)補(bǔ)償核心電路。

所述帶隙基準(zhǔn)源電路是在Widlar帶隙基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上修改而成的。在電源電壓波動(dòng)時(shí)，增加的Q3, Q5和Q6的部分通過(guò)一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路使得輸出電壓穩(wěn)定。

所述偏置電壓電路的作用是提供合適的偏置電壓或電流給本文中的各個(gè)放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和溫度補(bǔ)償電路等模塊，并使電路的工作狀態(tài)穩(wěn)定。Rl, R2, Q1和Q2組成一個(gè)Widlar電流源(微電流源)電路，Q2發(fā)射極上串連一個(gè)電阻R2，如果R2≠0，則Ql和Q2工作在不同的基極一發(fā)射極電壓下。Q3, Q4, Q5, R3, R4和R5組成一個(gè)以VBE為基準(zhǔn)的電流源，為了使Q5中有電流流過(guò)，Q4和R3上必須有足夠的電流流過(guò)。

所述前置放大器由Q1和Q2組成輸入差分對(duì)，Q3和Q4作為電流源負(fù)載，R3和R4確定Q3和Q4支路的電流，Q8和Q9作為緩沖級(jí)，并由兩個(gè)電流源進(jìn)行偏置。Q13和Q14作為Q10和Q12的電流源負(fù)載。Q11的作用是使Q1和Q2支路的電流不至于過(guò)大而導(dǎo)致R2控制端電壓與R1端電壓相差過(guò)大，造成差分輸入管的不對(duì)稱(chēng)。輸出管Q12使用射隨器的結(jié)構(gòu)，使電路能夠提供很低的輸出阻抗。

所述輸出放大電路中，輸入差分對(duì)由Q1和Q2組成，Q3和Q4作為Q1和Q2的電流源負(fù)載，Q8和Q9作為緩沖級(jí)，Q6和Q7作為電流源對(duì)其進(jìn)行偏置。Q10與Q9一起構(gòu)成二級(jí)電壓跟隨器，利用PNP-NPN互補(bǔ)管來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電平移動(dòng)。還可以增加輸入阻抗和提高前級(jí)增益。Q11～Q13為輸出管Q14提供偏置電流。Q13和Q14組成Class A的結(jié)構(gòu)，以犧牲功率為代價(jià)，保證所放大的信號(hào)盡可能的不出現(xiàn)失真，和具有很高的線性度和較大的擺幅。為了使放大器能夠穩(wěn)定工作，在Q9的基極和Q14的集電極之間跨接R6和C1，作為頻率補(bǔ)償之用。

所述放大器A1在Q8的基極施加負(fù)反饋，環(huán)路增益足夠大，使A1的差動(dòng)輸入電壓變小，得到VA≈2.5V。 DAC1控制Q6和Q7支路的電流，若DAC1控制流過(guò)Q6的電流I6變大，A1使Q8的基極電壓C點(diǎn)電位升高，從而保持A點(diǎn)電位近似為2.5V。 B點(diǎn)電位的溫度系數(shù)隨DAC1輸出電壓改變而改變。而A點(diǎn)的溫度系數(shù)和電壓值一直保持不變。DAC2控制Q5的電流I5，并且通過(guò)放大器A2鉗位Q3集電極電位，控制流過(guò)R1支路的電流。若DAC2輸出增大，R1支路電流減小，使Q2支路電流增大，因?yàn)閂t不變，致使Vc電壓減小。

所述零點(diǎn)失調(diào)溫度系數(shù)補(bǔ)償電路由放大器A1、晶體管Q1、電阻R1和電阻R3組成。在溫度為常溫的時(shí)候，由于Vo是被精確調(diào)到2.5V這個(gè)電壓值上，可知電阻R3上的壓降為0。而當(dāng)溫度變化導(dǎo)致Vo的值比2.5 V小的時(shí)候，Vol的電壓值升高，Q1開(kāi)啟，Vol驅(qū)動(dòng)DAC4的NPN管工作，產(chǎn)生電流Ie。此時(shí)的Vo2電壓直接被拉到電源電壓，Q2關(guān)斷，DCA4中的PNP管不工作。這個(gè)時(shí)候的DAC4的基準(zhǔn)電壓是參考電壓Vol。

本發(fā)明的有益效果是：構(gòu)緊湊，加樣精度高、速度快，適應(yīng)性好，取代了傳統(tǒng)的移液器，提高了加樣效率，解決了多針頭加樣針頭浪費(fèi)的問(wèn)題，縮短了芯片檢測(cè)分析周期。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的補(bǔ)償電路整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的帶隙基準(zhǔn)源電路圖。

圖3是本發(fā)明的放大器的偏置電路圖。

圖4是本發(fā)明的前置放大電路。

圖5是本發(fā)明的輸出放大器。

圖6是本發(fā)明的滿量程補(bǔ)償與其溫度系數(shù)補(bǔ)償電路。

圖7是本發(fā)明的零點(diǎn)失調(diào)溫度系數(shù)補(bǔ)償電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1，惠斯通電橋檢測(cè)的電壓Vin通過(guò)OP1進(jìn)行放大，DAC1和DAC2的電壓作用于滿量程及其溫度系數(shù)補(bǔ)償核心電路，輸出一個(gè)可調(diào)的增益補(bǔ)償電流Ic來(lái)調(diào)節(jié)OP1的增益，最后產(chǎn)生一個(gè)帶溫度補(bǔ)償?shù)姆糯箅娏鱅1；而DAC3產(chǎn)生的一個(gè)補(bǔ)償零點(diǎn)失調(diào)的電流I2與DAC4、DAC5和零點(diǎn)溫度系數(shù)補(bǔ)償核心電路等產(chǎn)生的一個(gè)補(bǔ)償零點(diǎn)溫漂的電流I3相加之后再與I1相加，得到一個(gè)經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和失調(diào)補(bǔ)償之后的電流Io。通過(guò)反饋電阻Rf，這個(gè)補(bǔ)償電流經(jīng)過(guò)OP2轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償后的輸出電壓Vout。

如圖2，帶隙基準(zhǔn)源電路是在Widlar帶隙基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上修改而成的。在電源電壓波動(dòng)時(shí)，增加的Q3, Q5和Q6的部分通過(guò)一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路使得輸出電壓穩(wěn)定。

如圖3，偏置電壓電路的作用是提供合適的偏置電壓或電流給本文中的各個(gè)放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和溫度補(bǔ)償電路等模塊，并使電路的工作狀態(tài)穩(wěn)定。Rl, R2, Q1和Q2組成一個(gè)Widlar電流源(微電流源)電路，Q2發(fā)射極上串連一個(gè)電阻R2，如果R2≠0，則Ql和Q2工作在不同的基極一發(fā)射極電壓下。Q3, Q4, Q5, R3, R4和R5組成一個(gè)以VBE為基準(zhǔn)的電流源，為了使Q5中有電流流過(guò)，Q4和R3上必須有足夠的電流流過(guò)。

如圖4，前置放大器由Q1和Q2組成輸入差分對(duì)，Q3和Q4作為電流源負(fù)載，R3和R4確定Q3和Q4支路的電流，Q8和Q9作為緩沖級(jí)，并由兩個(gè)電流源進(jìn)行偏置。Q13和Q14作為Q10和Q12的電流源負(fù)載。Q11的作用是使Q1和Q2支路的電流不至于過(guò)大而導(dǎo)致R2控制端電壓與R1端電壓相差過(guò)大，造成差分輸入管的不對(duì)稱(chēng)。輸出管Q12使用射隨器的結(jié)構(gòu)，使電路能夠提供很低的輸

出阻抗。

如圖5，輸入差分對(duì)由Q1和Q2組成，Q3和Q4作為Q1和Q2的電流源負(fù)載，Q8和Q9作為緩沖級(jí)，Q6和Q7作為電流源對(duì)其進(jìn)行偏置。Q10與Q9一起構(gòu)成二級(jí)電壓跟隨器，利用PNP-NPN互補(bǔ)管來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電平移動(dòng)。還可以增加輸入阻抗和提高前級(jí)增益。Q11～Q13為輸出管Q14提供偏置電流。Q13和Q14組成Class A的結(jié)構(gòu)，以犧牲功率為代價(jià)，保證所放大的信號(hào)盡可能的不出現(xiàn)失真，和具有很高的線性度和較大的擺幅。為了使放大器能夠穩(wěn)定工作，在Q9的基極和Q14的集電極之間跨接R6和C1，作為頻率補(bǔ)償之用。

如圖6，放大器A1在Q8的基極施加負(fù)反饋，環(huán)路增益足夠大，使A1的差動(dòng)輸入電壓變小，得到VA≈2.5V。 DAC1控制Q6和Q7支路的電流，若DAC1控制流過(guò)Q6的電流I6變大，A1使Q8的基極電壓C點(diǎn)電位升高，從而保持A點(diǎn)電位近似為2.5V。 B點(diǎn)電位的溫度系數(shù)隨DAC1輸出電壓改變而改變。而A點(diǎn)的溫度系數(shù)和電壓值一直保持不變。DAC2控制Q5的電流I5，并且通過(guò)放大器A2鉗位Q3集電極電位，控制流過(guò)R1支路的電流。若DAC2輸出增大，R1支路電流減小，使Q2支路電流增大，因?yàn)閂t不變，致使Vc電壓減小。

如圖7，由放大器A1、晶體管Q1、電阻R1和電阻R3組成。在溫度為常溫的時(shí)候，由于Vo是被精確調(diào)到2.5V這個(gè)電壓值上，可知電阻R3上的壓降為0。而當(dāng)溫度變化導(dǎo)致Vo的值比2.5 V小的時(shí)候，Vol的電壓值升高，Q1開(kāi)啟，Vol驅(qū)動(dòng)DAC4的NPN管工作，產(chǎn)生電流Ie。此時(shí)的Vo2電壓直接被拉到電源電壓，Q2關(guān)斷，DCA4中的PNP管不工作。這個(gè)時(shí)候的DAC4的基準(zhǔn)電壓是參考電壓Vol。