电阻式传感器的读出架构：指标、比较及未来发展方向

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Readout Architectures for Resistive Sensors: Metrics, Comparison, and Future Directions

针对电阻式传感器读出电路架构比较混乱、性能评估标准不统一的问题，本文通过PRISMA系统综述和2015-2025年文献计量分析，提出统一性能评估框架，比较电压、频率和时间域转换技术，揭示时间接口在能效与可扩展性上的平衡优势，频率接口适用于宽阻范围，ADC适用于高精度窄阻场景，为物联网和可穿戴设备提供技术选型依据。

　　

摘要

电阻式传感器在工业、环境和生物医学系统中被广泛使用，然而读出电路的效率和准确性从根本上限制了它们的整体性能。现有文献对读出架构的覆盖不全面，性能指标不一致，且缺乏一个统一的框架来比较电压域、频率域和时间域转换技术。这些限制阻碍了对功耗、分辨率、动态范围和可扩展性等关键因素的评估，而这些因素对于现代物联网（IoT）和可穿戴应用至关重要。本文通过一项基于“系统评价和荟萃分析的优先报告项目”（PRISMA）的系统性调查来解决这些问题，并辅以长达十年的文献计量分析（2015–2025年）。本文提出了一种统一的性能评估框架，标准化了线性度、分辨率、抗噪能力、温度稳定性和能效等关键指标。详细研究了三种主要的电阻到数字的转换途径：基于模数转换器（ADC）的、基于频率的和基于时间的架构，强调了它们的工作原理、电路创新和设计权衡。此外，整合了比较表格和与架构无关的性能评估指标（FoMs），包括一个通用的FoM，使得不同类型的转换器之间可以进行一致的基准测试。分析表明，基于时间的接口在能效和可扩展性方面提供了最平衡的组合；基于频率的设计在宽电阻范围内表现优异；而基于ADC的方法仍适用于高精度、窄范围传感。总体而言，本文为选择合适的读出架构提供了连贯的基础，并指出了推进低功耗、高精度电阻式传感器接口技术的关键机会。