CN103852194A

CN103852194A - 模拟前端补偿

Info

Publication number: CN103852194A
Application number: CN201310755548.2A
Authority: CN
Inventors: E·维塞尔; K·卡瓦泰
Original assignee: Sensata Technologies Inc
Current assignee: Sensata Technologies Inc
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: EP2738535A1; US9310269B2; CN103852194B; KR20140070431A; EP2738535B1; US20140152286A1; KR101945548B1; JP6360676B2; JP2014109572A

Abstract

本发明涉及模拟前端补偿。在一实施例中，一装置可以包括感测元件，其测量一特性如，例如，压力。所述感测元件可以基于所测量的特性产生输出。与所述感测元件关联的电路可以存储一电压，其代表了由感测元件产生的输出。所述电路可以包括，例如，可以存储所述电压的电容器。所述存储的电压可以包括一个或多个寄生分量，例如，偏移电压和/或与泄漏电流关联的电压。所述电路可以调节存储的电压以对寄生分量进行补偿。所述调节可以在电路的一系列操作阶段中进行。

Description

模拟前端补偿

相关申请

本申请要求2012年11月30日提交的题目为“APT AFE1(LEAK)ANDV(OS)COMPENSATION”的美国临时专利申请N0.61/731786的优先权和权益，其全部内容在此通过参考被引入。

附图说明

相应的附图被引入，其为说明书的一个组成部分，其与说明内容结合在此描述了一个或多个实施例，并对这些实施例进行解释。在附图中：

图1示出了一个带有感测元件的模以前端(AFE)电路的第一操作阶段的例子；

图2示出了一个带有感测元件的AFE电路的第二操作阶段的例子；

图3示出了一个带有感测元件的AFE电路的第三操作阶段的例子；

图4示出了一个带有感测元件的AFE电路的第四操作阶段的例子；

图5示出了一个带有感测元件的AFE电路的第五操作阶段的例子；

图6示出了与关于感测元件的AFE电路的操作阶段相关的时间轴；和

图7示出了一个可关于感测元件的AFE电路执行以补偿一个或多个寄生分量的操作。

详细说明

下面的详细描述中涉及到相应的附图。不同附图中相同的附图标记代表了相同或类似的元件。同样，下述详细描述并不限制本发明的范围。

压力传感器可以包括两个主要部分：1)一感测元件，其受到某一特性(例如，压力)的影响，和2)电路(例如，电子电路)。所述感测元件可以包括例如，一对构成电容器的平行板。一个板可以被固定至陶瓷隔膜上，其可响应于被感测元件测得的特性而弯曲。另一块板可以通过一刚性玻璃绝缘层与陶瓷基片附着，其对所述特性的变化不敏感。随着所述特性的变化，所述隔膜产生弯曲，且电容板之间的距离也会改变。

这种陶瓷感测元件(CSE)的设计可以制造出一种电容器，其可以基于感测元件所测量的特生而改变。例如，如果感测元件测得了压力，则感测元件的电容将会根据施加到感测元件上的压力的变化量而改变。

转换器中的电路将测量电容并将其转换为一数值(例如，电压)。该数值可以是，例如，与被测特性成线性比例的。所述电路可以检测出由于隔膜轻微变形所导致的电容的微小变化，并产生一数值以代表该被检测出的变化。

某些寄生分量如，例如，偏移电压(V(os))和/或泄漏电流(I(leak))可能会影响电路产生的数值的精度。这些寄生分量可能是由例如感测元件和/或电路引入的。

例如，假设一转换器包括了一电容性感测元件和一放大器(例如，运算放大器)，其中放大器可以基于感测元件的电容值输出电压。感测元件和/或放大器中的泄漏电流，和/或放大器引入的偏移电压将会影响转换器的精度。因此，在该例子中，对泄漏电流和/或偏移电压进行补偿是有益的，其可以提高转换器的精度。

在此介绍的技术可以用于补偿多种寄生分量如，例如，带有感测元件和相关的模拟前端(AFE)电路的转换器中的泄漏电流和/或偏移电压。补偿可以通过AFE电路的一系列操作阶段来执行。

图1示出了AFE电路100的第一操作阶段的例子。所述AFE电路100可以用于转换器中，例如，汽车压力转换器(APT)。

参照图1，电路100可以包括连接至第一参考电压(Vref1)的线路110；连接至第二参考电压(Vref2)的线路112、128、134、144、154；参考电容(Cref)116；感测电容(Csen)120；连接至公共电路(例如，地电路)122的线路；连接至输出电压(Vout)的线路124、150；浮动连接126、148；开关162、164、166、168、170、172；滤波器130；输入电容(Ci)132；第一反馈电容(Ca)146；第二反馈电容(Cb)138；放大器136；连接至放大器136的输入端子的线路142；连接至第二反馈电容(Cb)138的线路140；采样和保持电容(Cs&h)152；采样和保持电压(Vs&h)160。同样在图1中，与Cref116和Csen120相应的内部泄漏电阻分别由参考电阻114(Rref)和感测电阻(Rsen)118表示。

应当指出，电路100只是可以执行在此描述的一种或多种技术的电路的一个例子，并且也可以使用与图1中所示的电路不同的电路来执行在此描述的一种或多种技术。

Vref1可以是电路100的干线电压。Vref2的电压值可能低于Vref1。例如，在一个实施例中，Vref2的电压值为Vref1的电压值的一半，即，Vref2=Vref1/2。

AFE电路100可以包括感测元件，其被用于(1)测量特性(例如，压力)和(2)基于所测量的特性产生输出。AFE电路100还可以包括一个或多个组件用于(1)存储(例如，保持)代表由感测元件所产生的输出的数值和(2)对所存储的数值中包含的一个或多个寄生分量进行补偿。

所述感测元件可以包括Cref116和Csen120。Cref116可以是固定值的电容器，而Csen120是可变电容器，其电容值可以根据所述特性的变化而改变。

Csen120可以包括，例如，一对构成电容的平行板。一个板被固定在隔膜(例如，陶瓷隔膜)上，其可以响应于所述特性的变化而弯曲。另一个板可以放置在基片(例如，陶瓷基片)上，其对特性的变化不敏感。随着所感测的特性发生变化，所述隔膜发生弯曲并且Csen120的电容值也响应于隔膜的弯曲而发生改变。

滤波器130可以包括一个或多个电组件，其可以用于例如降低与Cref116和/或Csen120相关的噪声。所述电组件可以包括，例如，一个或多个电容和/或电阻。所述电组件被布置以构成滤波器，例如，电阻-电容-电阻(RCR)滤波器。

放大器136可以是运算放大器。放大器136可以具有差动输入和单端输出。放大器136产生输出电势，其可大于输入端子之间的电势差。

Vs&h160可以通过电荷平衡等式来定义。一个电荷平衡等式的例子将按照如下的方式定义Vs&h160：

Vs&h=Vref2*Cref/Csen

其中Cref是与Cref116相对应的电容值，Csen是与Csen120相对应的电容值，并且Vref2是上述的第二参考电压。

电路100中的泄漏电流(I(leak))和/或偏移电压(V(os))将会在例如通过使用上述电荷平衡等式来进行确定时对Vs&h160的精度造成影响。可以基于多种因素定义I(leak)和/或V(os)的值。这些因素可以包括，例如，Rref114和/或Rsen118的值，Csen120的污染，和/或可实现电路100的集成电路(IC)的内部结构。其它因素可以包括，例如，电路100中一个或多个电组件的操作的改变，其可能是由例如，运算电路100处于在不同温度下(例如，升高的温度)而导致的。例如，I(leak)可以包括(1)与Rref114和/或Rsen118相关的寄生泄漏电流，(2)与放大器136相关的寄生泄漏电流(例如，通过可能包括在放大器136中的输入保护二极管的寄生泄漏电流)，和/或(3)来自不同电路节点(例如，放大器136的电源)和节点180之间的泄漏的寄生电流。

在此介绍的技术可以被用于补偿多种寄生分量如，例如，I(leak)和/或V(os)。在此介绍的技术可以包括电路100的多个操作阶段，其可以对与寄生分量相应的影响进行补偿。这些阶段可以包括，例如，采样和保持阶段，感测阶段，重置阶段，充电阶段和传输阶段。所述阶段可以是，例如，在多个循环中按照预定的顺序重复，其中循环可以在预定的时间段内发生。

如上所述，图1示出了电路100的第一操作阶段的例子。所述第一阶段可以指的是电路100的采样和保持操作阶段。在第一阶段中，电路100的状态可以被设置成已知(开始)状态。第一阶段可以在感测之前执行，使得可以从电路100的已知状态开始执行感测。

在第一阶段，Cb138保持的电压可以通过放大器136进行缓冲，并且Cs&h152将被充电至相同的电压。通过连接至Vref2对Cref116和Csen120保持的电压进行初始化，其中Vref2被认为是已知的电压源。Ci132保持的电压将被初始化为V(os)。

特别的，在第一阶段，开关162、164、166、168、170和172可以处于这样的状态，其在一段时间内允许放大器136的输出电压被传送至Cs&h152。开关162可以被设置为选定Vref1。开关164被设置为选定公共电路。开关166被设置为选定Vref2。Vref2的电压值可以是，例如，Vref1电压值的一半，Vref2也可以使用其它电压值。开关168被设置为取消选定Ca146。开关170可以被设置为选定Cb138作为放大器136的反馈电容，并且开关172可以被设置为连接至Cs&h152以将放大器136的输出引导至Cs&h152。

开关162、164、166、168、170和172可保持处于该状态的持续时间可以是，例如，T/4，其中“T”是所有阶段循环一遍的时间。因此，例如，如果“T”是20微秒(uS)，则开关162、164、166、168、170和172保持在所述状态的持续时间则是5uS。

图2示出了电路100的第二操作阶段的例子。所述第二阶段可以指的是电路100的感测操作阶段。在第二阶段，Vout可以平衡节点180处注入的净电荷。I(leak)可以通过注入电荷(Qi)来降低跨Cb138的电压，其中电荷(Qi)大致等于：

Qi≈I(leak)*T/4/Ctotal*Ci

其中Ctotal是Csen、Cref、Ci和从节点180至公共电路(Cpar)的泄漏电容的电容值的总和。

在第二阶段，Cs&h将被切断连接。Cref116上的电压将会改变(例如，至Vref2)。Csen120可以被置于反馈回路中。所述电荷平衡等式可以基于Csen120的值确定Vout的值。应当注意Vout的值将会受到I(leak)的影响，其将由Ci132随着时间(例如，1/4T)累积，造成偏移电压。如果I(leak)是正的，则Vout电压偏移则是负的。

通过Ci132注入放大器136的电荷可以通过反馈电容Cb138进行补偿。应当注意在第一阶段，Ci132被充电至V(os)值。在第二阶段，可以通过在反馈回路中放置Csen120对该值进行调节。

鉴于在第一阶段Ci132已经被“预充电”至V(os)，在第二阶段，由Ci132所保持的电荷将被调整至一电压值，其等于感测值(例如，感测元件提供的电压值)减去V(os)。应当注意，在第二阶段的末尾Ci132所保持的电荷将包括与其它寄生分量(例如，I(leak))相关的一个或多个电荷。

参照图2，在第二阶段，开关162、164、166和172将变换至与第一阶段的状态不同的状态。特别的，在感测阶段，开关162被设置为Vref2。开关164被设置为Vout。开关166被设置为浮置(未连接)，以及开关172被设置为从Cs&h152断开连接。

开关162、164、166、170和172在感测阶段的状态将会切换Cref116和Csen120的电压值。此外，在感测阶段，Vout反馈可以用于平衡在节点180处注入的净电荷。泄漏电流可以通过注入电荷(Qi)来调整(例如，增大，减小)Cb138所保持的电压，其中电荷(Qi)由上述等式控制。

图3示出了电路100的第三操作阶段的例子。所述第三阶段可以指的是AFE电路100的重置操作阶段。在第三阶段，节点180可以被重置为V(os)。

所述第三阶段可以用于为I(leak)补偿作准备。在第三阶段中，节点180可以被连接至Vref2。Ci132保持的电压被初始化为V(os)。Cb138被隔离并且Ca146被切入作为放大器136的反馈电容。

参照图3，在第三阶段，开关166、168和170将变成与感测阶段的状态不同的状态。特别的，在第三阶段，开关166被设置为Vref2，且开关168和170被设置，以切入(选择)Ca146作为放大器136的反馈电容，而切出(取消选择)将Cb138作为放大器136的反馈电容。开关162、164、166、168、170和172在第三阶段中的状态可以是，例如，重置节点180处的电压。

图4示出了AFE电路100的第四操作阶段的例子。所述第四阶段可以指的是AFE电路100的充电操作阶段。在第四阶段，Ci132所保持的电压按照I(leak)*T/4/Ctotal被增大。

特别的，在第四阶段中，节点180被浮置。Ci132采集一段时间内(例如，1/4T)的与I(leak)相关的电压，其与在第二阶段中所使用的由Ci132累积I(leak)所用的持续时间匹配。这可导致基于I(leak)对Ci132所保持的电压进行调整。例如。如果I(leak)是正的，则Ci132所保持的电压将增大。

参照图4，在第四阶段，开关166将变换至于第三阶段中的状态不同的状态。特别的，在第四阶段，开关166被设置为浮置。开关162、164、166、168、170和172在第四阶段中的状态将使得Ci132充电。Ci132将充电至，例如，上述的电荷Qi。

图5示出了AFE电路100第五操作阶段的例子。所述第五阶段可以指的是AFE电路100的传输操作阶段。在第五阶段中，Ci132所保持的电荷将被注入至放大器136中，以基于Ci132所保持的电荷调整Cb138所保持的电压。

特别的，在第五阶段，Ca146将从放大器136的反馈回路断开连接。应当注意，先前连接时，Ca146是作为反馈以控制放大器136负输入的。

同样在第五阶段，Cb138将被连接至放大器136的反馈回路，而Cb138所保持的转化结果将包括由I(leak)导致的错误。开关166将切换为在节点180处的源Vref2。这将导致由I(leak)所造成的采集电压错误被馈送至放大器136的负输入端子。Ci132在节点180侧的电压变化与负的累积电压相等。Vout将在相反的方向上变化以对电荷注入进行校正。正的I(leak)将导致Vout中电压的正变化(在第二阶段对同样大小的负电压变化进行调整)。结果将是，根据I(leak)调整了Cb138所保持的电压，并且Vout将反映独立于V(os)和I(leak)的电压。

参照图5，在第五阶段，开关162、164、166、168和170将改变至与第四阶段中的状态不同的状态。特别的，在第五阶段，开关162将被设置为Vref1，开关164被设置为公共电路，且开关166被设置为Vref2。开关168和开关170将被设置为切出作为放大器136反馈电容的Ca146，并切入作为放大器136的反馈电容的Cb138。

开关162、164、166、168、170和172在第五阶段的状态可重置节点180处的电压。进一步的，在第五阶段，Ci132可连接至Vref2(例如通过开关166)以注入Ci132在第四阶段中收集的电荷(例如Vi)以改变(例如，增大)Cb138的电压。

图1-5中所示的阶段将按照由“T”定义的周期循环重复。图6示出了时间轴600的例子，其中图1-5中所示的阶段将按照周期循环应用于，例如，AFE电路100。

参照图6，在第一周期，第一阶段在周期内从周期的开始至1/4T的时间段内应用于AFE电路100。第二阶段在周期内从1/4T至1/2T的时间段内被应用于AFE电路100。在周期中的1/2T至5/8T的时间段、5/8T至7/8T的时间段、7/8T至周期结尾1T的时间段内，第三、四、五阶段分别被应用于AFE电路100。应当注意，在后续的周期(例如，第二周期)中可对于各个阶段重复这些时间段。

还应当注意，所述阶段是按照预定的顺序在周期中依次执行的。例如，以这样的顺序，在执行第一阶段之后，接着是第二、三、四、五阶段。然而，应当指出，也可以按照其他顺序执行各阶段。

应当指出，上述阶段占用的时间段长度只是可能占用的时间段长度的例子，也可以使用不同于上述时间段长度的其他时间长度。还应当指出，时间轴600只是上述电路的各阶段所使用的世间轴的例子，也可以使用其他的时间轴。

还应当指出，时间段长度“T”可能在不同周期间有所不同。例如，在一个实施例中，第一周期的时间段长度“T”可以不同于第二周期的时间段长度“T”。不同周期间时间段长度“T”的不同可以有助于，例如，防止在时间段长度“T”固定的情况下所出现的谐波和/或周期噪声。

图7示出了带有感测元件的AFE电路(例如AFE电路100)可能执行的操作。执行所述操作可以对在电路操作过程中可能出现在电路中的寄生分量进行补偿。所述寄生分量可以包括，例如，与V(os)和/或I(leak)相关的电压。

参照附图7，在块710，AFE电路执行采样和保持操作。所述采样和保持操作可以在例如时间轴600中所标示的第一阶段中执行。所述采样和保持操作可以包括，将AFE电路中的一个或多个组件所保持的多种电荷初始化为已知值。例如，在AFE电路100中，采样和保持操作可以包括将Cref116和Csen120所保持的电压初始化为Vref1，并将Ci132所保持的电压初始化为V(os)。

在块720，AFE电路可执行感测操作。所述感测操作可以在例如时间轴600中所标示的第二阶段中执行。所述感测操作可以包括感测，例如与感测元件相关的值(例如，电容，电压)并存储所感测的值。该所感测的值可以被存储在电容中，以电压的形式包含于AFE电路内。应当注意所述被存储的值可以包括寄生分量，例如，与V(os)和/或I(leak)相关的寄生电压。

例如，在AFE电路100，所述感测操作可以包括断开Cs&h152的连接，并将Cref116上的电压变换为Vref2。与Csen120相关的值将被感测，且Cb138可基于所感测的值来保持电压。应当注意Cb138所保持的电压可以包括由V(os)和/或I(leak)引入的寄生电压。

在块730，AFE电路时在所存储的值中可能出现的一个或多个寄生分量进行补偿。所述补偿可以在例如时间轴600所标示的第三、四和/或五阶段中执行。所述寄生分量可以包括，例如，与V(os)和/或I(leak)相关的电压。

补偿V(os)可以包括补偿AFE电路中可能包含的放大器所引入的偏移电压。例如，在电路100中，在第一操作阶段，Ci132被充电以保持与放大器136相关的电压V(os)。在第二操作阶段，基于感测元件所感测的值对Ci132所保持的电压进行调整。从而，Ci132所保持的调整后的电压可针对V(os)对感测元件的电压进行补偿。

对与I(leak)相关的电压进行补偿可以包括对由可能在AFE电路中出现的I(leak)引入存储的感测值中的值进行补偿。例如，在电路100中，Cb138可以保持所存储的感测值。所述存储的感测值可以包括可能在电路100中出现的由于I(leak)而引入存储的感测值中的电压。对由电路100中的I(leak)引入的电压进行补偿可以包括准备阶段，其可以包括将节点180连接至Vref2，并将放大器136的反馈电容从Cb138切换为Ca146。

然后，节点180可被浮置，使得Ci132采集与I(leak)相关的电压。所述放大器136的反馈电容从Ca146切换至Cb138。此外，节点180处的电压可以变为Vref2，其使得Ci132将与I(leak)相关的采集电压注入至放大器136。其结果可是针对I(leak)偏移电压校正Cb138所保持的电压。在该点处，Vout可以包括独立于V(os)和I(leak)的感测电压。

前述实施例的说明意在提供一种示意和说明，但不在于穷举或将本发明限制于所公开的具体形式。在上述说明的启示下或根据本发明的实际应用可以对其进行调整和变化。

除非明确说明，此处所用的元件、操作或说明不应被当作本发明中关键或必不可少的。同样，如在此所用，冠词“一”意指包括一个或多个物件。当需要指示只有一个物件时，使用短语“一个”或类似的语言表达。进一步，除非明确表明，短语“基于”意在表明“至少部分基于”。

本发明并不限于上述公开的特定实施例，本发明应当包括落在所附权利要求范围内的任何和所有特定实施例及其等价变形。

Claims

1.一种装置，包括：

感测元件，所述感测元件用于：

测量特性，并

产生基于所测量的特性的输出；和

电路，所述电路用于：

存储代表所述感测元件所产生的输出的电压，并

对包含在所存储的电压中的一个或多个寄生分量进行补偿。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述感测元件具有参考电容(Cref)和感测电容(Csen)。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述电路还包括：

放大器，

反馈电容器(Cb)，所述反馈电容器(Cb)连接在所述放大器的输出端子和所述放大器的的输入端子之间，并且

其中，所述电路还：

调整Cb所保持的电压，所述电压被基于与所述感测元件关联的泄漏电流进行调整。

4.如权利要求3所述的装置，还包括：

输入电容器(Ci)，所述输入电容器(Ci)连接在所述感测元件的输出端子和所述放大器的输入端子之间，Ci保持与所述装置中的泄漏电流关联的电压，并且

其中，基于Ci所保持的电压的量对Cb所保持的所述电压进行调整。

5.如权利要求2所述的装置，还包括：

放大器，

第一反馈电容器(Cb)，所述第一反馈电容器(Cb)连接在所述放大器的输出端子和所述放大器的输入端子之间，和

输入电容器(Ci)，所述输入电容器(Ci)连接在所述感测元件的输出端子和所述放大器的输入端子之间，并且

其中，所述电路还：

对Ci充电以保持基于与所述感测元件关联的泄漏电流的电压，并且

将Ci保持的电压注入所述放大器以基于所述泄漏电流对Cb保持的电压进行调整。

6.如权利要求5所述的装置，其中至少部分基于与Cref和Csen中至少一个关联的电阻定义所述泄漏电流。

7.如权利要求5所述的装置，其中所述泄漏电流是至少部分基于与所述放大器关联的泄漏电流定义的。

8.如权利要求2所述的装置，其中所述放大器包括差动输入端子和单端输出端子。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述特性包括压力。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述感测元件是陶瓷感测元件(CSE)。

11.如权利要求2所述的装置，还包括：

放大器；

第一反馈电容器(Cb)，所述第一反馈电容器(Cb)连接在所述放大器的输出端子和所述放大器的输入端子之间；和

其中，所述电路还：

对Ci充电以保持与所述放大器关联的偏移电压(V(os))，

感测Csen的值，

基于所感测的值调整Ci所保持的电压，

将Ci所保持的调整后的电压注入所述放大器的输入端子以调整Cb所保持的电压。