Verstärkte, rein analoge MEMS-Drucksensoren mit extrem gutem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)

Standard mit Grenzen: digitale Signalverarbeitung

Die meisten vergleichbaren Produkte auf dem Markt verwenden für die Signalkonditionierung einen ASIC  eines renommierten Herstellers. In diesem Konzept wird das analoge Signal in ein digitales umgewandelt, bevor es im digitalen Signalprozessor (DSP) weiterverarbeitet wird – ein Prinzip, das unterdessen zu einem Quasi-Standard bei den MEMS-Drucksensoren geworden ist. 

In der analogen Version dieses Konzepts wird das digitale Signal dann wieder DA-gewandelt, in der digitalen Version direkt über eine SPI- oder I2C-Schnittstelle ausgegeben. Dieses Konzept hat absolut seine Berechtigung und ist für viele Anwendungen die richtige Lösung. Die Signalverarbeitung im DSP-Block des ASICs eröffnet mächtige Möglichkeiten, die allerdings wieder durch die Rechenleistung definiert bzw. begrenzt werden.

Liegen die Kundenanforderungen jedoch über denen dieser Mainstream-Applikationen, stösst das Konzept an seine Grenzen. Entweder erfüllt die Lösung nur einen Teil der Spezifikation – oder sie wird äusserst kostspielig. Diese Lücke kann Fujikura nun mit der AG3/AP3-Serie schliessen, die einen völlig anderen Ansatz verfolgt als die Produkte der Mitbewerber im Sensorherstellungsgeschäft (Abb. 1).

Back to the Roots: rein analoge Signalkonditionierung und Kennlinienkorrektur

Nicht immer ist die Digitalisierung besser. Manche altbewährten Konzepte haben weiterhin ihren Charme und bieten entscheidende Vorteile. Bei der AG3/AP3-Serie heisst das Zauberwort «voll analoge Signalkonditionierung»: Der ASIC von Fujikura verzichtet ganz auf die AD-/DA-Wandlung und somit auf eine digitale Signalverarbeitung. Nicht nur der ganze Signalpfad ist rein analog, sondern auch die Temperatur- und Kennlinienkorrektur. Durch den Einsatz neuester Analogtechnik wird eine herausragende Signalqualität erreicht. Im Gegensatz zum digital verarbeiteten Drucksignal sind am Ausgang keine Stufen zu sehen – die volle Auflösung kann weiterverarbeitet werden. 

Freiheit und Preisvorteile durch externe AD-Wandlung

AG3/AP3-Serie in Kombination mit einer externen AD-Wandlung bietet in vielen Applikationen entscheidende Vorteile. Das extrem rauscharme, stufenlose Analogsignal bietet die Grundlage für eine hohe Auflösung der Ausgangsspannung (bis zu 16 Bit); es kann aber auch sehr schnell abgetastet werden (bis zu 120 µs). Natürlich ist die resultierende Performance auch vom verwendeten AD-Wandler und somit vom Kunden-Design abhängig. Mit diesem Aufbau – Drucksensor mit verstärktem Analog-Ausgang und externer AD-Wandlung – bestimmt der Kunde die Kosten der Gesamtlösung massgeblich mit (Güte der AD-Wandlung) bzw. kann diese nach seinen Anforderungen dimensionieren und optimieren. 

Einige Kunden von Pewatron benötigen zudem eine echte synchrone Abtastung mehrerer (bis zu fünf) Drucksensoren, was mit den markttypischen digitalen Drucksensoren nicht exakt durchführbar ist. Zwar lässt sich theoretisch ein quasisynchrones Auslesen über mehrere I2C/SPI-Busse realisieren, jedoch nicht exakt; echte äquidistante und synchrone Abtastwerte sind nicht möglich. Dafür müssten die verschiedenen Clocks der digitalen Drucksensoren bzw. ihrer digitalen Blöcke miteinander synchronisiert werden, was bei den genannten Sensoren nicht machbar ist – im Unterschied zum voll analogen Konzept mit der nachfolgenden AD-Wandlung, die der Kunde definiert und so nach seinen Anforderungen konzipieren kann.

Der Markt hat dieses Prinzip der AG3/AP3-Serie gut aufgenommen: Der Mut von Fujikura, gegen den Trend auf ein voll analoges Konzept zu setzen, hat sich bereits ausgezahlt. Mit den AG3/AP3-Sensoren kann sich Fujikura von den anderen namhaften Sensorherstellern abheben und bietet für viele Anwendungen ein äusserst vorteilhaftes Verhältnis Signal-Rausch-Abstand (SNR) / Kosten («best SNR to Cost Ratio on the Pressure Sensor Market»).  

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