CN103825596A - 适用于温度传感器的可编程开关电容积分器 - Google Patents

Abstract

一种适用于温度传感器的可编程开关电容积分器，包括：一时钟产生子电路，该时钟产生子电路包括两个时钟输出端；一积分子电路，该积分子电路中的第一开关与时钟产生子电路的时钟输出端连接；该积分子电路20中的第二开关与时钟产生子电路10的时钟输出端连接；一采样子电路，该采样子电路由若干个结构相同的采样支路组成，每一采样支路包括一配置开关和一采样电容，每一采样支电路的输出端与积分子电路的输入端连接；一电平切换子电路，该电平切换子电路包括多个外部电平输入端、两个时钟输入端和多个采样电平输出端，其中时钟输入端分别与时钟产生子电路的时钟输出端连接，采样电平输出端分别与采样子电路的采样电平输入端连接。

Description

适用于温度传感器的可编程开关电容积分器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种适用于温度传感器的∑一△数模转换器(sigma-delta ADC)中的开关电容积分器电路。

背景技术

温度测量已经变成了人们日常生活中的基本需求，模数转换器(ADC)则是温度传感器中的关键部件，直接影响到温度传感器的测温精度和测量范围。Sigma-delta ADC通过过采样、噪声整形以及数字滤波技术，以速度换取精度，降低了对模拟电路的要求，具有低功耗和高精度的特点，非常适用于温度传感器。

温度传感器中的sigma-delta ADC有一个负反馈系统使得积分器的输入电压近似为0，这是通过在不同的采样积分周期配置不同的采样支路有效数目实现的。因此，一部分采样支路会暂时处于无效状态。无效状态的采样支路处理不好仍可能对积分结果造成影响，这是本发明要解决的问题。

现有的适用于温度传感器的Sigma-delta ADC中的开关电容积分器电路结构如图1所示。其包括时钟产生子电路、采样子电路、积分子电路及电平切换子电路。其中采样子电路由采样支路组成，采样支路包括采样电容和配置开关两部分，采样电容一端连接运算放大器的输入端，另一端连接配置开关，配置开关的另一端接外部输入电压。积分子电路包括运算放大器、积分电容、第一开关和第二开关，第一开关跨接在运放的输入和输出两端，第二开关一端接运放的输入端，另一端接积分电容，积分电容的另一端接运放的输出端。电平切换子电路的输入端接外部输入电平和时钟产生子电路，输出端接采样子电路。其具体的连接关系如图1所示。上述所有开关均为CMOS开关，均在其控制信号为高电平时闭合低电平时断开。

上述现有的Sigma delta ADC开关电容积分器通过控制配置开关的闭合或断开来配置采样支路的有效数目，当配置开关闭合时，其所在采样支路有效；反之，当配置开关断开时，其所在采样支路无效。在一个采样积分周期内配置开关的状态保持不变。当一个采样积分结束后下一个采样积分周期开始前通过控制配置开关的状态来配置采样支路的有效数目。由于CMOS开关断开后仍有漏电流，在常温下漏电流很小，可以忽略不计，但随着温度的升高，开关漏电流逐渐增大，温度每升高10℃，漏电流增大一倍，当温度达到80℃以上时，漏电流将变得不可忽视，将会引起较大的误差，这严重影响了积分器的性能，进而影响到温度传感器的测量结果。

因此有必要寻找一种在高温下仍可正常工作的积分器电路，以扩大温度传感器的测温范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于温度传感器的可编程开关电容积分器，其在高温下仍可正常工作，以扩大温度传感器的测温范围。

为实现上述目的，本发明提供一种一种适用于温度传感器的可编程开关电容积分器，包括：

一时钟产生子电路，该时钟产生子电路包括两个时钟输出端；

一积分子电路，该积分子电路中的第一开关与时钟产生子电路的时钟输出端连接；该积分子电路20中的第二开关与时钟产生子电路10的时钟输出端连接；

一采样子电路，该采样子电路由若干个结构相同的采样支路组成，每一采样支路包括一配置开关和一采样电容，每一采样支电路的输出端与积分子电路的输入端连接；

一电平切换子电路，该电平切换子电路包括多个外部电平输入端、两个时钟输入端和多个采样电平输出端，其中时钟输入端分别与时钟产生子电路的时钟输出端连接，采样电平输出端分别与采样子电路的采样电平输入端连接。

本发明与现有技术相比，本发明的采样支路中的配置开关为多路开关。当配置开关的控制信号为高电平时，采样电平被选通，由于在采样阶段和积分阶段电平切换子电路会切换采样电平，采样电平发生变化后采样电容会有充放电过程，即完成了采样积分功能，该采样支路有效；当配置开关的控制信号为低电平时，电源电压被选通，在采样阶段和积分阶段，该采样支路的电平被固定，采样电容没有充放电过程，该采样支路无效。这样就避免了CMOS开关断开时的漏电流对积分结果的影响，因此本发明在高温下仍可正常工作。

附图说明

图1为现有的适用于温度传感器中的可编程开关电容积分器电路结构示意图。

图2为本发明适用于温度传感器中的可编程开关电容积分器电路结构示意图。

图3为本发明适用于温度传感器中的可编程开关电容积分器电路结构一实施例的示意图，

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明提供一种适用于温度传感器的可编程开关电容积分器电路，其包括时钟产生子电路10，电平切换子电路40，采样子电路30及积分子电路20。所述时钟产生子电路10同时与所述积分子电路20和所述电平切换子电路40相连，以产生时钟脉冲控制所述积分子电路20和所述电平切换子电路40的工作。时钟产生子电路10具有第一输出端Φ1与第二输出端Φ2，第一输出端Φ1与第二输出端Φ2输出两相非交叠时钟，即第一输出端Φ1与第二输出端Φ2输出的时钟脉冲不会同时为高电平，但可以同时为低电平。积分子电路包括运算放大器、积分电容Cint、第一开关Φ11和第二开关Φ12，第一开关Φ11跨接在运放的输入和输出两端，第二开关Φ12一端接运放的输入端，另一端接积分电容Cint，积分电容Cint的另一端接运放的输出端。电平切换子电路40的外部电平输入端接外部输入电平，两个时钟输入端Φ21及Φ22分别与时钟产生子电路10的时钟输出端Φ1和Φ2连接，采样电平输出端V21、V21’、V22、V22’分别与采样子电路30的采样电平输入端V1、V1’、V2、V2’连接，其功能是在时钟产生子电路10控制下切换采样子电路采样阶段和积分阶段的采样电平，以完成采样积分功能。采样子电路30由若干条结构相同的采样支路组成，采样支路包括采样电容Cs和配置开关T两部分，配置开关T为多路开关，一路接采样电平，一路接电源电压vdd，另一端连接采样电容Cs，采样电容Cs的另一端连接运算放大器的输入端。当配置开关T的控制信号为高电平时，采样电平被选通，由于在采样阶段和积分阶段电平切换子电路会切换采样电平，采样电平发生变化后采样电容Cs会有充放电过程，即完成了采样积分功能，该采样支路有效；当配置开关T的控制信号为低电平时，电源电压vdd被选通，在采样阶段和积分阶段，该采样支路的电平被固定，采样电容Cs没有充放电过程，该采样支路无效。因此可以通过控制配置开关T的状态来控制采样支路的有效数目，实现了可配置功能，而且避免了CMOS开关断开时的漏电流对积分结果的影响，因此本发明在高温下仍可正常工作。

图3为本发明的一个具体实施例。如图3所示，本发明提供一种适用于温度传感器的可编程开关电容积分器电路，其包括时钟产生子电路，电平切换子电路，采样子电路及积分子电路。所述时钟产生子电路与所述积分子电路和所述电平切换子电路相连，以产生时钟脉冲控制所述积分子电路和所述电平切换子电路的工作，且时钟产生子电路具有第一输出端与第二输出端，第一输出端与第二输出端输出两相非交叠时钟，即第一输出端与第二输出端输出的时钟脉冲不会同时为高电平，但可以同时为低电平。电平切换子电路的输入端接外部输入电平和时钟产生子电路，输出端接采样子电路，其功能是在时钟产生子电路控制下切换采样子电路采样阶段和积分阶段的采样电平，以完成采样积分功能。采样子电路由若干条结构相同的采样支路组成，采样支路包括采样电容和配置开关两部分，配置开关为多路开关，一路接采样电平，另一路接电源电压，采样电容一端连接运算放大器的输入端，另一端连接配置开关。配置开关的控制信号为高电平时，采样电平被选通，由于在采样阶段和积分阶段电平切换子电路会切换采样电平，采样电平发生变化后采样电容会有充放电过程，即完成了采样积分功能，该采样支路有效；当配置开关的控制信号为低电平时，电源电压被选通，在采样阶段和积分阶段，该采样支路的电平被固定，采样电容没有充放电过程，该采样支路无效。积分子电路包括运算放大器、积分电容、第一开关和第二开关，第一开关跨接在运放的输入和输出两端，第二开关一端接运放的输入端，另一端接积分电容，积分电容的另一端接运放的输出端。

本发明的具体工作过程如下所述。

首先配置采样支路的有效数目。配置开关T1=1，T1’=1，配置开关T2=1，T2’=1，配置开关T3=1，T3’=1，则三对采样支路都有效。

采样阶段：时钟产生子电路的第一输出端输出的时钟脉冲Φ1为高电平，第二输出端输出的时钟脉冲Φ2为低电平，电平切换子电路为采样子电路提供采样电平。V1(Φ1)=V_bel，V2(Φ1)=V_ber，V3(Φ1)=V_ber，V1’(Φ1)=GND，V2’(Φ1)=Vbel，V3’(Φ1)=V_bel。采样电容Cs对采样电平进行采样。此时积分器输出电压Vout＝0。

积分阶段：时钟产生子电路的第一输出端输出的时钟脉冲Φ1为低电平，第二输出端输出的时钟脉冲Φ2为高电平，电平切换子电路将为采样子电路提供的采样电平进行切换。V1(Φ2)=GND，V2(Φ2)=V_bel，V3(Φ2)=V_bel，V1’(Φ2)=V_bel，V2’(Φ2)=V_ber，V3’(Φ2)=V_ber。由于采样电容两端的电压发生了变化，采样电容上的一部分电荷将转移到积分电容Cint上，即完成了积分过程。

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔVout}=2\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Cint}}(V1\left(\mathrm{\Φ}1\right)-V1\left(\mathrm{\Φ}2\right)+V2\left(\mathrm{\Φ}1\right)-V2\left(\mathrm{\Φ}2\right)+V3\left(\mathrm{\Φ}1\right)-V3\left(\mathrm{\Φ}2\right))\\ =2\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Cint}}(V_{\mathrm{bel}}-2\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{be}})\end{array}$

其中，ΔV_be＝V_bel-V_ber。

在下一个采样积分周期开始时再次配置采样支路的有效数目。配置开关T1=1，T1’=1，配置开关T2=1，T2’=1，配置开关T3＝0，T3’＝0，则第一对和第二对采样支路有效，第三对采样支路在采样积分期间连接固定电平vdd，其采样电容没有发生充放电过程，故第三对采样支路无效。这样就避免了CMOS开关断开时的漏电流对积分结果的影响。后面的采样积分阶段与上述过程相同。

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔVout}=2\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Cint}}(V1\left(\mathrm{\Φ}1\right)-V1\left(\mathrm{\Φ}2\right)+V2\left(\mathrm{\Φ}1\right)-V2\left(\mathrm{\Φ}2\right))\\ =2\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Cint}}(V_{\mathrm{bel}}-\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{be}})\end{array}$

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于温度传感器的可编程开关电容积分器，包括：

一时钟产生子电路，该时钟产生子电路包括两个时钟输出端；

一积分子电路，该积分子电路中的第一开关与时钟产生子电路的时钟输出端连接；该积分子电路20中的第二开关与时钟产生子电路10的时钟输出端连接；

一采样子电路，该采样子电路由若干个结构相同的采样支路组成，每一采样支路包括一配置开关和一采样电容，每一采样支电路的输出端与积分子电路的输入端连接；

一电平切换子电路，该电平切换子电路包括多个外部电平输入端、两个时钟输入端和多个采样电平输出端，其中时钟输入端分别与时钟产生子电路的时钟输出端连接，采样电平输出端分别与采样子电路的采样电平输入端连接。

2.根据权利要求1所述的适用于温度传感器的可编程开关电容积分器，其中所述采样子电路的采样支路的数目是根据需要进行增减。

3.根据权利要求1所述的适用于温度传感器的可编程开关电容积分器，其中所述配置开关为四端口开关，在其控制信号为高电平时，采样电平与采样电容接通，在其控制信号为低电平时，电源电压与采样电容接通。

4.根据权利要求1所述的适用于温度传感器的可编程开关电容积分器，其中所述积分子电路为全差分的对称结构，包括全差分运算放大器、第一开关、第二开关及积分电容，所述第一开关跨接在所述全差分运算放大器的输入和输出两端，所述第二开关的一端接全差分运算放大器的输入端，另一端接积分电容，所述积分电容的另一端接在所述全差分运算放大器的输出端。

5.根据权利要求1所述的适用于温度传感器的可编程开关电容积分器，其中所述电平切换子电路的输出受所述时钟产生子电路产生的时钟脉冲控制，当所述时钟产生子电路的第一输出端输出的时钟脉冲为高电平时，所述电平切换子电路为所述采样子电路提供采样电平；当所述时钟产生子电路的第二输出端输出的时钟脉冲为高电平时，所述电平切换子电路将为采样子电路提供的采样电平进行切换，以实现采样积分功能。

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