nsa5311: 高精度快速响应模拟输出传感器调理芯片...2020/06/08 · novosense nsa5311:...

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NSA5311: 高精度快速响应模拟输出传感器调理芯片

数据手册 V1.6

产品概述 NSA5311 是一款能快速响应桥式传感器的可编程模拟输出芯

片。NSA5311 芯片的核心器件是增益范围从 1.667 倍到 960

倍、低失调、无漂移且能快速响应的前端仪表放大器，零点补

偿 DAC，增益可调节的增益 DAC 以及一个输出放大器。内置的

平方电路能够准确校准传感器输出的二阶非线性。NSA5311 可

通过单线通讯协议（OWI）对 NVM 阵列进行两次编程。通过芯

片内置的温度传感器、查表法校准、参考电压，NSA5311 可以

校准传感器的二阶非线性、零点漂移、灵敏度及他们的温度系

数，而无需激光修调或者外部器件校准带来的额外成本。校准

后，芯片的 VOUT 脚能输出可选的绝对输出电压或者是与输入

成比例的模拟输出电压，精度可达 0.1%，绝对误差在±2mV 以

内。

主要功能

⚫ 调理桥式电路输出模拟电压

⚫ 校准传感器的零点、灵敏度及其温度系数

⚫ 传感器二阶非线性校准

⚫ 高频响应

⚫ 输出成比例电压或者绝对输出

⚫ 内、外部温度传感器模式

⚫ 查表法校准

⚫ 高精度内部参考源

⚫ 传感器错误诊断, 钳位功能

⚫ 工作电压 3V 至 5.5V

⚫ 工作温度 -40℃至 125℃

⚫ 单线通讯模式

技术支持

⚫ 评估套件和传感器校准流程

⚫ 批量校准系统

⚫ 快速的个性化定制

应用场合

⚫ 电流传感器

⚫ 压力传感器

⚫ 工业过程控制

NSA5311 数据手册

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1.0 极限参值 ........................................................................................................................................................................................ 3

2.0 电气参数 ........................................................................................................................................................................................ 4

3.0 寄存器和非易失性储存器 ............................................................................................................................................................ 7

4.0 功能描述 ...................................................................................................................................................................................... 10

4.1. 增益调节 .................................................................................................................................................................................. 10 4.2. 零点调节 .................................................................................................................................................................................. 10 4.3. 传感器非线性校准的平方电路 .............................................................................................................................................. 11 4.4. NSA5311 传递函数 ................................................................................................................................................................... 11 4.5. 参考电压 .................................................................................................................................................................................. 12 4.6. 温度传感器 .............................................................................................................................................................................. 12 4.7. NVM 寄存器 ............................................................................................................................................................................... 12 4.8. 查表法校准 .............................................................................................................................................................................. 13 4.9. 错误诊断 .................................................................................................................................................................................. 13 4.10. 上限及下限钳位 .................................................................................................................................................................. 14 4.11. 单线通信接口 ...................................................................................................................................................................... 14 4.11.1. 初始化 OWI 通信............................................................................................................................................................... 15 4.11.2. 暂时性退出 OWI 模式输出模拟电压 ............................................................................................................................... 15 4.11.3. OWI 协议 ........................................................................................................................................................................... 15 4.11.4. 时间协议 .......................................................................................................................................................................... 16

5.0 KNOW GOOD DIE尺寸和 PAD ........................................................................................................................................................ 18

6.0 封装信息 ...................................................................................................................................................................................... 19

7.0 典型应用电路 .............................................................................................................................................................................. 21

7.1. 使用内部温度传感器和输出要求高带宽和快速相应的典型电路 ....................................................................................... 21 7.2. 使用内部温度传感器，负载为大电容负载的典型电路....................................................................................................... 21 7.3. 输入侧增加外部 EMI 滤波功能和使用外置温度传感器的典型电路 ................................................................................... 22

8.0 订货信息 ...................................................................................................................................................................................... 23

9.0 文档修改历史 .............................................................................................................................................................................. 24


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1.0 极限参值

参数标示最小值典型值最大值单位备注

供电电压 VDD -0.3 6.5 V

模拟输出电压 -0.3 VDD+0.3 V

模拟输出电流 30mA

ESD系数 4 kV HBM

工作温度 -40 125 °C

储存温度 -60 150 °C


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2.0 电气参数

参数标示最小值典型值最大值单位备注

供电电源

供电电压 VDD 3 5 5.5 V VDD为电源电压引脚

工作温度 TBOB -40 125 °C

工作电流 IBSA 3 3.3 mA 无负载

校准精度 ±2 mV 输出电压

输出电压上升时间

Gain=4 0.5 us 阶跃输入，10%~90%，负载100

pF

Gain=64 1.2 us 阶跃输入，10%~90%，负载100

pF

传感器（电桥）驱动参考

传感器驱动参考电压 VREF 4.08 4.096 4.112 V ‘VREG_SEL’ = 0,

VDD>4.3V

2.492 2.5 2.508 V ‘VREF_SEL’ = 1, VDD>3V

VREF负载驱动能力电阻负载 500 Ohm

电容负载 20 pF

传感器驱动参考电源抑

制比PSRR

50 dB DC到1kHz

PGA增益

第一级增益 G1 1 32 1, 2, 4, 8, 16, 32, 2.91,

6.4

第二级增益 G2 1.667 4 1.667, 4

增益误差 Gerr 0.1 0.5 %

输出参考零漂 3 50 uV CHOP_OFF = 0

6 mV CHOP_OFF = 1

输入偏置电流 100 0.1 nA DIAN_OFF = 0

0.1 nA DIAG_OFF = 1

输入阻抗 20||5 Mohm||pF CHOP_OFF=0

30||5 Gohm||pF CHOP_OFF = 1

输入噪声 Vn 40 nv/rt.Hz f=1kHz, CHOP_OFF=0

共模抑制比 CMRR 100 dB DC


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输入电压范围 0.2 VDD-

1.4

V

输出电压范围 0.1 VDD-

0.1

ZERO DAC（调零DAC）

分辨率 14 Bit LSB = Vref/2^14

编程范围 0 VREF V

输出电压范围 0.1

VDD-

0.1 V

DNL 0.5 LSB

INL 1 LSB

增益误差 0.1 %

零点漂移 5 mV

Gain DAC（增益调节DAC）

增益范围 GO 1/3 1 V/V

分辨率 14 Bit

DNL 0.5 LSB

INL 1 LSB

Output Amplifier

输入电压范围 0 VDD-

1.4

V

输出电压范围 0.1 VDD-

0.1

RL=10kohm

零点偏移电压 5 mV

增益 2 7.5 2,2.4, 3, 3.75, 5, 6, 7.5,

外部电阻设置

开环增益 115 dB

GBW增益带宽积 6 4.5 MHz

短路电流限制 25 30 mA

温度传感器 (内部模式)

ADC分辨率 12 Bit

温度灵敏度 0.0825 ˚C/LSB 当Reg0x33=0x59

RMS噪声 <1LSB 内部温度传感器模式


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更新率 25 Hz

温度传感器 (外部模式)

TEMP脚输入范围 GND VDD V

温度放大倍数 GTemp 1 8 1, 2, 4, 8

温度ADC的参考电压 VDD/2

上限/下限钳位电压

上限钳位电压 0.875 0.992 VEXC CLAMP_HIGH = 0001 ~ 1111

下限钳位电压 0.008 0.124 VEXC CLAMP_LOW = 0001 ~ 1111

比较器失调误差 15 mV

OWI 接口

波特率 4.8 80 kHz

NVM

容量 400 Bytes

编程电压 6.6 V VDD供电电压

编程峰值电流 100 mA

编程时间 4 ms


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3.0 寄存器和非易失性储存器

NSA5311 分为两种寄存器，第一种用在传感器校准的过程中用来控制芯片、存储配置数据，断电后不保存数据。第二种为非易失

性 NVM 寄存器。

表 3.1 配置寄存器

地址

描述

读写

复位

Bit 7

Bit 6

Bit 5

Bit 4

Bit 3

Bit 2

Bit 1

Bit 0

默认值

0x00 Soft_reset W soft_reset 0x00

0x02 Fault_status R Y Fault<5:0> 0x00

0x06 Temp_out_H R Y Temp_out<11:8> 0x00

0x07 Temp_out_L R Y Temp_out<7:0> 0x00

0x08 Zero_H R/W Y ZDAC<13:8> 0x00

0x09 Zero_L R/W Y ZDAC<7:0> 0x00

0x0a Gain_H R/W Y GDAC<13:8> 0x00

0x0b Gain_L R/W Y GDAC<7:0> 0x00

0x10 LUT_STOP R/W Y LUT_STOP 0x00

0x11 Blow_time R/W Y Release time Blow time 0x42

0x12 Blow_start R/W Y Blow_mo

de Margin 0x00

0x20 QUIT_OWI W N Write any value to quit OWI interface

0x00

0x21 VOUT_EN_CNT_L

R/W Y VOUT_EN_CNT<7:0>

0x00

0x22 VOUT_EN_CNT_H

R/W Y VOUT_EN_CNT<15:8>

0x00

0x30 Sys_Configure R/W Y MTP_EN MTP_SEL DIAG_ON FAULT_POL CHOP_OFF Input_s

wap VEXC_sel NVM_0

0x31 GAIN_setting R/W Y Square_IN GO <2:0> G2 G1<2:0> NVM_1

0x32

Coarse_offset

/ temp

control

R/W Y ISEN TREF_SEL TEMP_EXT Coarse_off <2:0> NVM_2

0x33 Temp_off_sel R/W Y Temp_gain <2:0> Temp_off<4:0> NVM_3

0x34 Linarity_trim R/W Y Sq_Scale <1:0> Linear_trim <5:0> NVM_4

0x35 Clamp_contrl R/W Y Clamp_ref

_sel Clamp_low <3:0> NVM_5

0x36 Clamp_contrl R/W Y Clamp_high <3:0> NVM_6

0x37 ID_1 R/W Y ID<31:24> NVM_7

0x38 ID_2 R/W Y ID<23:16> NVM_8

0x39 ID_3 R/W Y ID<15:8> NVM_9

0x40 T_1_H R/W Y T1<11:4> NVM_10

0x41 T_1_L R/W Y T1<3:0> ZDAC1<13:10> NVM_11


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0x42 ZERO_1_H R/W Y ZDAC1<9:2> NVM_12

0x43 GAIN_1_H R/W Y ZDAC1<1:0> GDAC1<13:8> NVM_13

0x44 GAIN_1_L R/W Y GDAC1<7:0> NVM_14

… .R/W Y Coefficients group 2 ~7 NVM14~44

0x63 T_8_H R/W Y T8<11:4> NVM_45

0x64 T_8_L R/W Y T8<3:0> ZDAC8<13:10> NVM_46

0x65 ZERO_8_H R/W Y ZDAC8<9:2> NVM_47

0x66 GAIN_8_H R/W Y ZDAC8<1:0> GDAC8<13:8> NVM_48

0x67 GAIN_8_L R/W Y GDAC8<7:0> NVM_49

Reg0x00

Soft_reset：写入 0x24 能够复位 NSA5311

Reg0x01

Fault_status: 显示错误检测状态

Reg0x6 - Reg0x07

Temp_out: 温度 ADC 输出值

Reg0x08 - Reg0x09

Zero: Zero DAC 输入值，通过查表法更新或是在校准时由外部写入

Reg0x0a – Reg0x0b

Gain: Gain DAC 输入值，通过查表法更新或是在校准时由外部写入 Reg0x10

Reg0x10

LUT_Stop: 停止查找表用来进入校准模式

Reg0x11

Release time: NVM 烧写时的时间间隔，使供电电压恢复

Blow time: NVM 烧写时的烧写时间设置

Reg0x12

Blow mode: 置 1 用来烧写 NVM

Margin: NVM 读出时增加难度以验证烧写可靠性

Reg0x20

QUIT_OWI: 写任意位可退出 OWI 模式

Reg0x21~Reg0x22

VOUT_EN_CNT: 在 OWI 通讯时暂时性释放 OUT 位使之成为模拟输入，此值用来配置暂时性退出 OWI 模式的时间

Reg0x30

MTP_EN: 0，OTP 模式；1，MTP 模式

MTP_SEL: 0，选择 NVM_bank1 作为 NVM 输出；1，选择 NVM_bank2 作为 NVM 输出

DIAG_ON: 0，关闭诊断模式；1，诊断打开

FAULT_POL: 0，检测到故障将 OUT 脚短路到 AGND 脚；1，检测到故障时将 OUT 脚短路到 VDD 脚

CHOP_OFF: 0，打开滤波器消除 PGA 放大器的零点漂移；1，关闭滤波器


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Input_swap: 置 1 使将传感器的输入脚交换

VEXC_SEL: 0，VEXC=4.096V；1，VEXC=2.5V

Reg0x31

Square_IN: 0，将传感器的输入作为平方电路的输入；1，将 PGA1 的输出作为平方电路的输入

GO: 输出放大器的增益配置, 2.4X, 010: 3X, 011: 3.75X, 100: 5X, 101: 6X, 110: 7.5X, 111: 外部分压电阻设置

G2: 前端 PGA2 的增益配置， 0’b: 1.667X, 1’b: 4X

G1: 前端 PGA1 的增益配置，000’b: 1X, 001’b: 2X, 010’b: 4X, 011’b: 8X, 100’b: 16X,

101’b:32X,110:2.91X, 111: 6.4X

Reg0x32

ISEN: 置 1 时使使用 10uA 电流源驱动外部温度传感器

TREF_SEL: 0:选择 GND 作为外部温度传感器的负端参考电压;1: 选择 VEXC 作为外部温度传感器的负端参考电压

TEMP_EXT: 0:选择内部温度传感器模式; 1: 选择外部温度传感器模式

Coarse_off: 运算放大器输入端自调零

Reg0x33

Temp_gain: 调整温度 ADC 输出值的增益

Temp_off: 调整温度 ADC 输出值的零点

注：如果使用了内部温度传感器，默认应将 Reg0x33 设置为 0x59

Reg0x34

Sq_scale: 平方电路的比例系数

Linear_trim: 设置非线性补偿时，平方电路的比例因数

Reg0x35

Clamp_ref: 0, 选择 VEXC 作为钳位电路的参考电压; 1: 选择 VDD 作为钳位电路的参考电压

Clamp_low: 设置下限钳位电压,写 Clamp_low 为 0000’b 可禁止下限电压钳位

Reg0x36

Clamp_high: 设置上限钳位电压, 写 Clamp_high 为 0000’b 可禁止上限电压钳位

Reg0x37~Reg0x39: 芯片 ID

Reg0x40 - Reg0x44:

查找表的第一组系数

T1: 查表法第一组温度系数

ZDAC1:第一组系数的 ZERO DAC

GDAC1: 第一组系数的 GAIN DAC

……

Reg0x63 - Reg0x67:

查找表的第八组系数

T8: 查找表的第八组温度系数

ZDAC8: 第八组系数的 ZERO DAC

GDAC8: 第八组系数的 GAIN DAC


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4.0 功能描述 NSA5311 是一款高集成的传感器接口芯片，主要用于校准电流传感器、压力传感器。它能充分校准传感器固有的温度漂移和非线

性，支持多种温度传感器模式。NSA5311 可通过单线通讯协议（OWI）对 NVM 阵列进行两次编程。通过芯片内置的温度传感器，查

表法校准，参考电压，NSA5311 可以校准传感器的二阶非线性，零点漂移，灵敏度及他们的温度系数，而无需激光修调或者外部

器件校准带来的额外成本。校准后，芯片 VOUT 脚能输出可选的绝对输出电压或者是与输入成比例的模拟输出电压，精度可达 0.1%，

绝对误差在±2mV 以内。图 4.1 为 NSA5311 的框架图。

图 4.1 NSA5311内部框架图

4.1. 增益调节

NSA5311 的核心部分是前端高精度、低漂移的仪表放大器。此放大器有两级配置，第一级的增益可配置为 1 至32 倍，第二级

的增益配置有两档，1.667倍和 4 倍。若不清楚传感器的输出极性，可通过多通道输入选择模块交换输入引脚的极性。通过

配置 chop_off 寄存器位，前端放大器可自动调零。当配置成为自动调零模式时，PGA 模块具有极低的固定漂移和低至 1/f 的

噪声，这种配置可用在高精度校准中。但此配置会使在 NSA5311 的输出脚上引入频率在 200kHz 的毛刺。当应用场景的带宽

宽到能看见毛刺时，应该关闭自动调零。

放大器只能将初始信号放大至大概的范围，精确放大需要通过调节 14 位的 GAIN DAC 实现。GAIN DAC 的输入范围为 1/3 到

1，具体增益通过查找表确定。校准工作时，根据当前温度读数和存储在 NVM 中的各个温度索引，利用查表法线性插值计算出

合适的增益设置。

在 GAIN DAC 之后的是输出放大器，输出放大器可提供 2 到 7.5 倍可编程的增益用来驱动负载。NSA5311 的总增益可从 1.667

到 960。通过配置 Go<2:0>位为 111，可将输出放大器的内部电阻调节成为外部电阻，使放大倍数任意可调。

4.2. 零点调节

传感器的零点调节可分为以为两步：一个带符号位的 3 位的粗调 DAC，一个 14 位的 ZERO DAC，调零范围可从 0V到 VREF。

⚫ 粗调 coarse_off <2:0> 和输入参考补偿电压的关系如下：


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表 4.1 coarse_off<2:0>和输入参考补偿电压

Coarse_off

<2:0>

Input Referred

offset

000 0

001 -VEXC/(8*G1)

010/011 -VEXC/(4*G1)

100 0

101 -VEXC/(8*G1)

110/111 -VEXC/(4*G1)

⚫ 14 位的调零 Zero DAC（细调）的输出直接补偿到 PGA 的输出端。与 GAIN DAC 类似，ZERO DAC 的输入值也通过查找表查

找储存在 NVM 中的系数。Zero DAC 的配置范围从 0V到 VREF，模拟输出限制在 0.1V 到 VDD-0.1V。

4.3. 传感器非线性校准的平方电路

NSA5311 的平方电路用来校准传感器的二阶非线性。非线性校准的原理为在输入信号上引入一个平方项用来补偿二阶非线

性。当‘Square_IN’=0 时，非线性校准的输出公式如下：

(1)

平方电路的输入范围为 +/-0.3V*(4-sq_scale)，sq_scale 可以被配置为 0 到 3。需要注意非线性补偿只能被用在固

定输出或者是在固定供电电压环境下的成比例输出。

4.4. NSA5311传递函数

等式 (2)用来估算 NSA5311 的输出电压

(2)

Vin 是传感器的输出值，可以表示为 VEXC*Sen*P, Sen 是传感器的灵敏度，P 是传感器的输入；

K 是平方电路因数；

VEXC 是传感器的工作电压；

Coarse_off 输入参考电压；

G1 一级放大，可选择 1, 2, 4, 8, 16, 32, 2.91, 6.4；

G2 二级放大，有 1.667 和 4 两种配置；

ZERO 是 ZERO DAC 的比例因子，可用 ZDAC/2^14 来计算；

GAIN 是 GAIN DAC 的比例因子，调节范围为 1/3~1，可用 (1/3+2*GDAC/3)来计算；

Go 是输出 PGA，有如下 8 个档位选择，2, 2.4, 3, 3.75, 5, 6, 7.5 或者是通过外部电阻调节。

𝑉𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 = 𝑉𝑖𝑛 + 𝑘 ∗ 𝑉𝑖𝑛2 = 𝑉𝑖𝑛 + 4.167

1

(4−𝑠𝑞_𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒)2 ∗𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟_𝑡𝑟𝑖𝑚

32∗𝐺1∗ 𝑉𝑖𝑛

2

𝑉𝑜𝑢𝑡 = ((𝑉𝑖𝑛 ∗ (1 + 𝑘 ∗ 𝑉𝑖𝑛) + 𝐶𝑜𝑎𝑟𝑠𝑒_𝑜𝑓𝑓) ∗ 𝐺1 ∗ 𝐺2 + 𝑉𝐸𝑋𝐶 ∗ 𝑍𝐸𝑅𝑂) ∗ 𝐺𝐴𝐼𝑁 ∗ 𝐺𝑜


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4.5. 参考电压

NSA5311 包含低漂移的参考电压，可选择 4.096V 和 2.5V 两个档位，此电压通过 VEXC 引脚来驱动传感器和外部电

路。此参考电压也于 Coarse Offset 的 DAC，Zero DAC，上限/下限钳位电压。在外部工作电压比 NSA5311 芯片可提

供的参考电压高时，VEXC 脚也可由外部电压驱动，比如，VEXC 脚可短接到 VDD 脚，用于比例输出模式。

4.6. 温度传感器

温度传感器数据用于查找表 LUT 校准。NSA5311 提供了两种温度传感器模式：内部温度传感器和外部温度传感器。

⚫ 当传感器和芯片的距离足够近时，可用内部温度传感器模式

⚫ 外部温度传感器模式用于传感器远离芯片的应用场合。当桥式电阻具有大的温度系数 TCR 时，也可使用外部温度传

感器模式。在传感器薄膜上的外部二极管、热敏电阻或者电阻式温度检测器均可用做外部温度传感器。内部 10uA

的电流源可用来激励这些类型的温度传感器。TEMP 脚用于外部温度传感器模式。

温度信号通过温度 ADC 数字化。通过配置 NVM 中的“Temp_Off”和“Temp_Gain”可使温度 ADC 的输出范围足够大。

4.7. NVM 寄存器

NVM 中有两组 50*8 位的 OTP 阵列，均映射到 0x30-0x67 寄存器。在烧写前，每个熔丝输出值为 0，若被烧写，则熔

丝输出 1。熔丝有两种工作模式，当“MTP_EN=0”时，它工作在 OTP 模式，在 OTP 模式下烧写寄存器时，两组熔丝均

被烧写为映射寄存器的值，读取时，若任意一组熔丝的值为 1，都会使输出值为 1。

当“MTP_EN=1”时，NVM 工作于 MTP 模式，可以被二次编程。‘MTP_sel’ 位用来选择需要编程和读取的寄存器组。

NSA5311 断电重启或软件重启时，NVM 中的值会被读取到映像寄存器中。NSA5311 的配置寄存器储存在 0x30 寄存器到

0x39 寄存器中，所有的 LUT算法的校准系数储存在 0x40到 0x67 寄存器中。

请按照如下步骤烧写 NVM 寄存器：

1. 将所有系数写入相应寄存器并将“MTP_EN”, “MTP_SEL”设置为相应模式

2. 将 Reg0x11 写为 0xF2

3. 进入工程模式后将 0x82 寄存器写为 0x04，随后退出工程模式

4. 将 VDD 上电压选择为 6.6V

5. 将 Reg0x12 配置为 01101011b 开始 NVM 编程

6. 等待 10ms

7. 将 VDD 上电压配置为 5V

8. 向 0x00 寄存器中写入 0x24 用来复位 NSA5311，随后进入 OWI 模式

9. 通过读回 OTP 寄存器的值判断是否烧写成功

下列步骤用于在校准结束后，禁止掉 OWI 模式

1. 向 0x11 寄存器中写入 0xF2

2. 进入工程模式后将 0x82 寄存器写为 0x04，随后退出工程模式

3. 将 VDD 上电压选择为 6.6V

4. 将 0x13 寄存器写为 0x06，将 0x14 寄存器写为 0x02

5. 将 01101001b 写入 0x12，开始手动烧写 NVM

6. 等待 1ms

7. 将 0x13 寄存器写为 0x07

8. 将 01101001b 写入 0x12 以开始手动烧写 NVM


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4.8. 查表法校准

芯片包含 8 组校准系数，每组包含一个 12 位的温度索引，一个 14 位的 ZERO DAC 数据和一个 14 位的 GAIN DAC数据，

这些系数可用来计算传感器在各个温度点下的灵敏度和零点。测试时，温度 ADC 将当前温度数据更新到 0x06 和 0x07 寄

存器，芯片 DSP 通过分段线性插值法计算出此温度下的 ZERO DAC 和 GAIN DAC，再将计算出的 ZDAC 和 GDAC 值写入

0x08 至 0x0b 寄存器中。这 8组索引只能是单向递增的。如果当前温度读数比第 1 组索引温度值还低，芯片会用第 1 组

和第 2 组系数做插值；如果当前温度读数比第 8 组索引的温度还高，芯片会用第 7 组和第 8 组系数做插值。

GDAC

ZDAC

Temperature

图 4.2 Look Up Table的校准逻辑

向 0x10 寄存器（LUT_STOP）写入 0x01，NSA5311 会进入校准模式，在校准模式下，DSP 芯片不会通过查表法向 ZERO

DAC 和 GAIN DAC 寄存器中写入数据。

4.9. 错误诊断

PGA

VINP

VINN

100mV

Vext-100mV

100mV

A1

A2

Vext-100mV

INP_H

INP_L

INN_H

INN_L

INP_HA

INN_HA

Sensor NSA5311

图4.3 错误诊断简易示图

NSA5311 通过 6 个比较器来实现诊断功能，参照图 4.3。

将 diag_on 置 1 打开诊断功能，诊断开启时，芯片的输入端会加两组 100nA 的电流源信号。这会使输入信号产生一定的

漂移，同时在校准时会显著减小大部分共模信号及部分干扰信号，四组电压比较器会监测输入电压是否在输入上下限

（VEXT/GND）的 100mV 误差范围内，利用这些信息能够判断传感器是否工作异常，比如 VEXT 开路，GND 开路，传感器

输出端短路或者开路。运算放大器与另外两组比较器配合判断输入信号是否超过了运算放大器的输入范围，运算放大器

在 AVDD 参考电压下工作时输入电压应小于 AVDD-1.4V。任意一组比较器被触发，相应的传感器错误状态会写到 0x02 状


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态寄存器中，此时 NSA5311 的输出会强驱到 VDD/GND±100mV，寄存器 0x30 的 FAULT_POL 位用来选择 VDD 或是 GND作为

参考。配合上限钳位及下限钳位功能，芯片能够监控传感器的输出是否在要求的范围内。

4.10. 上限及下限钳位

诊断功能中的错误监视器也集成了上下限钳位电路。比如，一颗正常压力传感器输出电压应该在满量程的 10% 到 90%，

如果输出电压低于满量程的 4%，被称为欠载，如果输出电压高于 96%，被称为过载。0x35 和 0x36 寄存器用来设置欠

载和过载数据。表 4.2 显示了上下限钳位的极限值。‘Clamp_ref’设置为 0 或者 1能够设置钳位电路的参考电压为

VEXC 或 VDD。

表 4.2 NSA5311 钳位电压

下限钳位下限钳位值上限钳位上限钳位值参考电压

0x0000 禁止下限钳位 0x0000 禁止上限钳位

VEXC 或 VDD

0x0001 0.008 0x0001 0.992

0x0010 0.016 0x0010 0.984

0x0011 0.023 0x0011 0.977

0x0100 0.031 0x0100 0.969

0x0101 0.039 0x0101 0.961

0x0110 0.047 0x0110 0.952

0x0111 0.055 0x0111 0.944

0x1000 0.070 0x1000 0.928

0x1001 0.078 0x1001 0.921

0x1010 0.086 0x1010 0.913

0x1011 0.093 0x1011 0.905

0x1100 0.101 0x1100 0.090

0x1101 0.109 0x1101 0.089

0x1110 0.117 0x1110 0.882

0x1111 0.124 0x1111 0.875

4.11. 单线通信接口

NSA5311 采用了一种简单的、可控的单线通讯模式（OWI）。此模式复用了模拟电压输出引脚和数字通讯引脚。 OWI 通

讯的优势在于校准好的芯片不需要其他的数字输出引脚。


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图4.4 OWI连接示例

表 4.3: OWI 电气特性

4.11.1. 初始化 OWI 通信

NSA5311 在上电时会有 20ms的时间窗口，以进入 OWI 模式。如果在上电 20ms 内检测到 OWI 通讯，芯片会进入 OWI 模

式；如果在 20ms 窗口时间未检测到 OWI 通讯，芯片会进入模拟输出模式。在 NVM 烧写时，将 OWI_dis 位写为 1可以永

久禁止 OWI 通讯模式。

4.11.2. 暂时性退出 OWI 模式输出模拟电压

向 0x20 寄存器中写入任意值均能退出 OWI 模式，使 OUT引脚输出模拟电压。如果 VOUNT_EN_CNT （0x21 和 0x22 寄存

器）中为非 0 值，此时发送退出 OWI 命令，芯片会暂时性退出 OWI 模式，OUT 引脚暂时性输出模拟电压，时间结束后，

芯片会自动关闭模拟输出，回到 OWI 通讯模式。退出 OWI 模式的时间可计算为 VOUT_EN_CNT*1ms。

4.11.3. OWI 协议

OWI 通讯协议定义如下：

1. 空闲周期

空闲时，OWI 的电压会被上拉到供电电压 VDD。

启动条件

OWI 通讯线空闲时，一个从低到高的电平使芯片启动 OWI通讯，低电平至少维持 10us。每条读写指令都需要由控制机发

出启动 OWI 的命令。启动 OWI 命令只能在 OWI 通讯线处于空闲时发送。

停止条件

编号参数符号单位

1 上拉电阻 RPU 330 Ohm

2 导线电阻 RLINE 20 Ohm

3 导线等效负载电容 CLOAD 4.7 nF


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控制机将 OWI 线拉高以结束 OWI 通讯。每条读写指令都需要停止命令。若至少两个时间周期内 OWI 信号电平没有变化，

OWI 通讯将停止。

2. 寻址

在启动命令之后，控制机发送 8 位需要读写的寄存器地址位和 1 位的读写控制位。

3. 有效数据

一次通讯会传输读或写的八位数据，最高有效位最先发送。在启动 OWI 命令之后开始发送数据位，数据位的值通过高低

电平的占空比决定，占空比大于 1/8 小于 3/8 的信号会被判定为无效，占空比大于 5/8 小于 7/8 的信号会被判定为有

效。在一位数据传输的过程中，高低电平不能改变超过两次，否则会启动停止信号。

4. 写寄存器

写寄存器时，要写入的 8 位数据跟在读写控制位之后；在停止命令发出后，写入的数据会更新到需要写入的寄存器中。

S 7 6 5 4 3 2 1 0 W 7 6 5 4 3 2 1 0 S

Address [7:0] Write_data [7:0]

start write(0) stop

图4.5: OWI写操作

5. 读寄存器

在控制机发送完读写地址及读控制位之后，从机会发送需要读的寄存器值。读完寄存器后，OWI 通讯线会自动回到空闲

状态。

S 7 6 5 4 3 2 1 0 R 7 6 5 4 3 2 1 0 S

Address [7:0] Read_data [7:0]

start Read(1) stop

图4.6: OWI读操作

4.11.4. 时间协议

图4.7: OWI时序图


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表 4.4: OWI 时序


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5.0 KNOW GOOD DIE 尺寸和 PAD

图 5.1: NSA5311 KGD 尺寸图

表 5.1 KDG Pad 信号描述

PAD 种类描述

VEXC 模拟输出电桥驱动参考电压

VIP 模拟输入信号输入正

VIN 模拟输入信号输入负

GND 电源接地

VDD 电源电源输入

OUT 模拟输出信号输出/OWI通信

VFB 模拟输入输出放大器负反馈

TEMP 模拟输入外部温度传感器输入

VSJ 模拟输入输出放大器补偿

VOUT_FILT 模拟输出输出信号滤波


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6.0 封装信息

NSA5311 的封装为 MSOP-10。

图6.1: NSA5311 MSOP-10 封装的管脚定义

表6.1 NSA5311 MSOP-10管脚描述

Pin # Pin Name 描述

1 VIP 信号输入正

2 VEXC 电桥驱动参考电压

3 VIN 信号输入负

4 NC 不连接

5 FILT 输出信号滤波

6 VSJ 输出放大器补偿管脚

7 VFB 输出放大器负反馈管脚

8 GND 接地管脚

9 VOUT 信号输出/OWI 通信

10 VDD 电源输入


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图6.2: NSA5311 MSOP-10 封装尺寸


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7.0 典型应用电路

7.1. 使用内部温度传感器和输出要求高带宽和快速相应的典型电路

VFB

VOUT

VDD

VEXC

FILT

VSJ

NSA5311VOUT

VDDVIP

VIN

GND

TEMP

图 7.1 NSA5311使用内部温度传感器，高输出带宽和快速相应的典型电路

VOUT 和 VFB 短接在一起，FILT 引脚悬空，适用于需要快速响应的电路，注意这种电气连接时 VOUT 引脚上的电容 Cload

不要超过 1nF。当 Cload 与电阻串联使用时，此限制条件不存在，具体配置请联系 NOVOSENSE 工程人员。

Note: “Temp” 输入引脚在 MSOP-10 封装片上并未引出。

7.2. 使用内部温度传感器，负载为大电容负载的典型电路

NSA5311

VOUT

VDD

Riso

Cc

Cfilt

Cload

VFB

VOUT

VDD

VEXC

VIP

VIN

GND

TEMP FILT

VSJ

图7.2 大电容负载，使用内部温度传感器的典型电路

在负载大电容场合（1nF<Cload<100nF），比如系统设计时需要为了 RFI/EMI 滤波功能将负载电容 Cload 设为 10nF

时，需要外接 Riso 作为隔离电阻，电阻值可从 30ohm 到 100ohm，需要视 Cload 的大小以及相应时间决定。为了加强

NSA5311 的驱动能力，需要在 VOUT 和 VSJ 之间接反馈补偿电容 Cc。另外，需要将电路输出端直接与 VFB 短接，以避免

Riso 为驱动负载所带来的误差。VOUT_FILT 引脚上的 CFILT 可以限制 NSA5311 的带宽，以减小电路的输出噪声。VSJ

是输出放大器的负反馈输入端，需要小心的走线以免引入较大的寄生电容和耦合噪声。



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7.3. 输入侧增加外部 EMI滤波功能和使用外置温度传感器的典型电路

R1

R2

C1

C2C3

NSA5311

VOUT

VDD

Riso

Cc

Cfilt

Cload

VFB

VOUT

VDD

VEXC

VIP

VIN

GND

TEMP FILT

VSJ

图7.3 使用外部温度传感器，输入增加EMI滤波的典型电路

RFI滤波器是仪表放大器的关键部分，特别是当桥式传感器在远离NSA5311的场景使用时。电阻R1和R2可以视距离远近选配，但是

电容C1、C2、C3是必配的，要求C3的电容值大于C1和C2电容值的十倍以上。RFI滤波电路要直接接到NSA5311的输入端。在桥式传

感器远离芯片的情况下，也可支持用电流源驱动二极管或是热敏电阻作为温度传感器使用。



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8.0 订货信息

表8.1 NSA5311的订货信息表

订货号封装描述

NSA5311_QMOR MSOP-10 NSA5311 in MSOP-10 package

NSA5311-QBW KGD NSA5311 in Know Good Die


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9.0 文档修改历史

表9.1 NSA5311的文档修改历史记录表

V1.0 转译自英文版 V1.6

V1.1 更新 4.4 公式中，coarse_off 计算方式

V1.2 新增 MSOP10 封装形式描述

V1.3 新增 PAD 描述

V1.4 更新 MSOP10 pin 脚定义

V1.5 更新表 5.1，增加 MSOP10 pin 脚描述

V1.6 同步到英文版 V2.3，删减 DFN 封装形式，更改订

货料号

nsa5311: 高精度快速响应模拟输出传感器调理芯片...2020/06/08 · novosense nsa5311:...

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