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气体浓度检测在煤矿安全、环境监测等领域具有广泛应用,可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在气体浓度检测的方法中备受瞩目。为了满足基于TDLAS的气体浓度探测器的小型化、低功耗和低成本的应用需求,研究开发整体系统的芯片级实现方案很有必要。在分析TDLAS气体浓度探测器对信号采集性能的基础上,对于现有传统信号采集电路由单级或者多级可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)级联组成,将有效信号放大的同时,无效信号也被放大,并且对后级ADC的精度要求高,在片内难以实现的问题,本文提出了一种宽动态范围气体传感器信号采集电路结构。该电路主要由电流信号调理电路、可变增益放大器、Flash ADC、减法电路组成。首先电流信号经过电阻网络被转换成电压信号V1输出;V1通过第一级VGA进一步放大得到V2,该级可实现1~128倍可调,步长0.5倍;V2通过分辨率为4位的Flash ADC进行粗量化,外控芯片可根据其数字输出判断信号位置,从而确定减法器的被减量V3;减法器从V2中减去模拟电压V3,得到模拟电压余差V4;最后通过第二级VGA将V4再次进行放大,实现对后级ADC模块0~4位的分辨率补偿。本文设计的宽动态范围气体传感器信号采集电路是基于UMC 110nm CMOS工艺实现的。利用Cadence软件完成了整体电路的设计与仿真验证,以及整体电路的版图设计和后仿真。电源电压为3.3V,工作频率为10MHz,信号采集电路的输入电流总范围是300nA~10m A,输入电流信号最小范围300nA~500nA,目标输出电压2V±0.2V。仿真结果表明可测范围内任一电流信号可被转换成目标输出,并在为后级ADC提供合适输入信号的同时,实现了合理的分辨率补偿。本文设计的信号采集电路版图的总面积为455μm×550μm,通过提取版图寄生参数对电路进行了后仿真,其结果符合设计要求。