《集微公开课》第五期笔记：纳芯微信号调理ASIC技术及应用

作者： JZ 2020-04-24

来源：爱集微 #公开课#

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4月24日（本周五）上午10点，第五期“集微公开课”邀请到苏州纳芯微电子股份有限公司信号调理产品市场总监叶健，带来题为《信号调理IC：连接物理世界与数字世界的桥梁》的精彩演讲。

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众所周知，传感器是用于检测、监视和响应各种温度、压力、湿度、运动等环境变化的器件，它是许多系统中不可或缺的组件，是现实物理世界通向信息化世界的桥梁。不过，传感器信号不能直接转换为数字信号，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。传感器分为敏感元件和信号链两部分，而以上的演进方向主要是对信号链部分提出了更高的要求。因此，信号链部分的主要角色——高性能的传感器调理芯片，对未来物联网传感器的发展将至关重要。

叶健介绍，纳芯微2013年创立于苏州，定位于高性能高可靠信号链芯片供应商，包括传感器信号调理芯片、传感器IC、数字隔离芯片/接口芯片三大产品线。自成立以来，先后推出了国内首颗三轴MEMS加速度计ASIC、工业级压力变送器调理芯片、汽车级压力传感器调理芯片、数字隔离芯片、汽车级压力传感器等多款产品，成立次年即实现盈利。通过了ISO9001的质量体系认证，成为国内少数的拥有前装汽车级产品定义、开发和量产经验的芯片设计公司之一。

作为公司三大产品线之一，叶健表示，传感器信号调理ASIC作为传感器系统中的电信号处理部分，负责将各种不同类型的敏感部件的输出转换成符合特定应用需求的、更容易处理的数字电压信号，并对敏感部件的各种非理想因素，例如校准温度带来的误差进行校准补偿，是传感器系统中必不可少的重要组成部分。

而设计传感器ASIC所必要的能力，包括对传感器的物理特性有深入的理解，对数字模拟电路有全面的能力，要掌握各种数字信号处理算法并理解传感器的终端应用。另外最重要的一点，也是最难的部分，在于传感器的量产，需要有工程化量程和标定的充分经验。

目前纳芯微的调理芯片年出货量超过2亿颗，已广泛应用于消费电子、白电、医疗、汽车和工业领域，包括手机、智能家居、无人机、可穿戴设备；各种工业传感器、汽车和电子电力行业等。目前纳芯微信号调理产品的产品主要出货形式，包括晶圆或者晶粒的方式；封装测试好的芯片的方式；提供给传感器客户传感器生产用标定工程系统的硬件和软件，以及对某些特殊的传感器提供模块级的PCB板卡。针对不同的细分应用，纳芯微通过量身定制或整合优质资源，为行业提供从核心器件到批量生产的一站式解决方案。

纳芯微信号调理ASIC的应用

叶健对通用型（电压/电阻桥式/电容）传感器信号调理ASIC和专用型传感器信号调理ASIC（加速度计/硅麦/热释电/磁传感器）进行了讲解。

通用型信号调理ASIC技术要点及应用

纳芯微通用型电压/桥式电阻/电容传感器信号调理ASIC包括成本优化、工业应用和高可靠性车规系列，分别适用于无人机高度计、汽车后装压力传感器、热电堆传感器/耳温计，工业现场压力/温度变送器、总线型工业现场传感器、无线IoT传感器，汽车前装压力传感器、汽车前装总线型压力传感器等。

这类信号调理芯片的核心技术在于高精度的模拟信号链、数字校准技术。校准在传感器接口设计时非常关键，而集成校准算法内置了基于内置MCU校准(二阶温度系数、三阶非线性系数)、ADC/DAC独立校准、量程比调节和初始零点、满量程调节，能够缩短生产测试设备的测试时间和加载，进而降低成本，不会影响精确度。

以纳芯微NSA2860这颗芯片来看，它集成了外部JFET控制器，24位主信号测量通道和24位辅助温度测量通道，传感器校准逻辑，双路恒流源等电路，并可以支持数字接口输出，模拟电压输出，4~20mA变送输出，PWM/PDM输出等各种输出模式。一个典型应用是三线制RTD温度变送器。

NSA2300则是一颗专为桥式传感器提供的高集成、低功耗、高精度的传感器信号采集、放大和校准的传感器接口芯片，一个典型应用是今年以来备受关注的基于热电堆传感器的耳温计、额温计。它可为传感器提供片上传感器补偿，包括零点漂移及其温度补偿，灵敏度及其温度补偿以及非线性补偿。这些补偿逻辑都基于内部一次性非挥发存储器（OTP）所存储的校准参数，通过内置DSP进行计算，不需要其他额外的外部器件支持，还提供多种温度测量模式。

专用型信号调理ASIC技术要点及应用

纳芯微的专用型传感器信号调理ASIC（加速度计/硅麦/热释电/磁传感器），则主要包括加速度传感器信号调理ASIC、MEMS麦克风信号调理ASIC、磁阻/霍尔传感器信号调理ASIC和被动热释电(PIR)传感器信号调理ASIC四大类，分别应用于手机/TWS耳机/智能手环、智能音箱/智能家电、电流传感器模块和智能照明/智能门铃/安防等场景。

对于这类调理信号芯片，核心技术在于需要充分理解传感器电气模型、对特定传感器的某些具体指标需要保证AC或者DC模拟性能、低功耗以及需要理解产品应用场景和算法。

例如应用于磁阻电流传感器模块的NSA5311，支持客户模块级装配后可编程精度校准，大范围可调增益(1.667X~960X)，单一芯片应对各种电流传感器量程。高信号带宽，快速响应速度(<1us)，支持温度查表法分段校准(应对传感器温度特性差的情况)。其信号处理架构，利用数字温度传感器通道的输出+温度查找表+线性插值+DAC，可实现多温度分段灵敏度和零点补偿。