CN104570789A - 半导体器件和电子控制器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体器件和电子控制器件。抑制测量电阻的检测准确性由于选择开关的导通电阻而下降。选择开关提供在通过参考电阻耦合至第一电压的第一节点和通过测量电阻耦合至第二电压的多个第二节点之间,并且利用选择开关选择将要被耦合至第一节点的第二节点。修正电路产生通过将第二电压添加到在第二节点和第一节点之间的电压而得到的电压,作为修正电压。二重积分ADC求出修正电压相对于第一节点的电压的电压差被积分到第一电压时所经过的第一积分时间和当第一电压相对于第一节点的电压的电压差被积分到修正电压时所经过的第二积分时间。
Description
相关申请的交叉引用
于2013年10月18日提交的日本专利申请No.2013-217508的公开,包含说明书、附图和摘要,通过引用整体包含在此。
技术领域
本发明涉及一种半导体器件,该半导体器件具有二重积分模拟-数字转换电路,并且进一步涉及使用模拟-数字转换电路的电子控制器件,并且涉及一项当被应用于,例如在车载系统中,控制诸如传动系统的装置同时监控测量传感器的电阻的电子控制器件时有效的技术。
背景技术
根据二重积分模拟-数字转换电路能够在简单电路中进行高精确性转换的特征,可以使用该二重积分模拟-数字转换电路以便监控测量传感器的电阻。作为二重积分模拟-数字转换电路的代表,例如,如日本未审专利申请No.2012-39273中所描述的,存在一种电路,用于利用米勒积分电路,通过连续两次对输入电压和极性与该值相反的参考电压积分,求出数字输出。例如,通过计数当积分器的电压从通过对输入电压Vin积分指定时间而得到的输出电压Vo变化到通过对参考电压Vref积分而得到的电压0V时所经过的时间而求出输入电压Vin。当假定图9的二重积分模拟-数字转换电路时,通过利用积分器对模拟输入电压Vin积分,并且随后再次利用该积分器对参考电压Vref积分,执行转换操作。当通过米勒积分电路积分模拟输入电压Vin期间的V1如公式1所示。顺便提及,在下文公式1至公式3中的参数如下。V1:在对输入电压Vin积分时的积分器的输出电压Vo;V2:在对参考电压Vref积分时的积分器的输出电压Vo;t1:指定时间;N2:在时间t1的脉冲计数;t2:参考电压Vref的积分时间;以及n:在时间t2的脉冲计数(数字输出)。
[公式1]
在通过该积分器对参考电压Vref积分期间的V2如公式2所示。
[公式2]
在公式2中,应积分,直到V2变成V2=0,并且通过以公式1代入该式,得出公式3的关系。
[公式3]
从公式3可以清楚看到,输入电压Vin被转换成n的脉冲计数(数字输出)。
例如,当打算监控温度传感器的热敏电阻的电阻时,可以将参考电阻串联耦合到用作测量电阻的热敏电阻,并且其分压可以被用作输入电压。如果参考电阻Rpu和测量电阻Rm串联耦合在参考电压Vp、Vn之间,并且它们绑定节点的电压被用作输入电压Vin,则通过公式4,可以得出测量电阻Rm。
[等式4]
发明内容
为了通过获得它们之间的二重积分模拟-数字转换电路的共性以测量多个测量电阻,例如,如图10中所示,通过将多个测量电阻Rm提供给共用的参考电阻Rpu并且将由复用器所选择的测量电阻串联耦合到参考电阻,可以监控多个测量电阻。
然而,复用器的开关器件不具有较小的导通电阻Ron。通过将导通电阻添加到测量电阻Rm,与假设不同的输入电压Vin将被输入到二重积分模拟-数字转换电路,这将导致测量电阻Rm的测量准确性下降的问题。由于上述导通电阻具有温度依赖性,并且受制造误差的影响,正确地抓取该值是不容易的。
从图10的配置将导通电阻考虑在内得出测量电阻Rm的公式,是公式5。
[公式5]
公式5表明,即使可以通过二重积分模拟-数字转换电路得出输入电压,得出测量电阻Rm的正确电阻值是不可能的,因为公式5的开关的导通电阻Ron的值是未知的。如果不考虑开关的导通电阻Ron而测量测量电阻Rm,未考虑开关的导通电阻事实上将导致测量效率的劣化。当关注图9的二重积分模拟-数字转换电路的配置时,图10中输入电路的开关的导通电阻的仅影响二重积分中的输入电压Vin的充电,而不影响参考电压的充电的不一致性,降低了测量电阻的检测准确性。
从下文对于本说明的描述和附图中,上述和其它问题及新特征将变得明显。
简要解释在本申请中公开的实施例中的一个代表性实施例,下文将对其具体描述。
即,在通过参考电阻耦合到第一电压的第一节点和通过测量电阻耦合到第二电压的多个第二节点之间提供选择开关,并且将要被耦合至第一节点的第二节点由选择开关选择。提供一个修正电路,其产生通过将第二电压添加到在由选择开关选择的第二节点和第一节点之间的电压而获得的电压。二重积分模拟-数字转换电路求出当修正电压相对于第一节点的电压的电压差被积分到第一电压时所经过的第一积分时间,并且求出当第一电压相对于第一节点的电压的电压差被积分到修正电压时所经过的第二积分时间。
简要解释在本申请中公开的实施例中的代表实施例所能够获取的效果,其如下文所示。
即,由于选择其开关的导通电阻的影响在二重积分的第一积分和第二积分之间是一致的,所以能够抑制测量电阻的检测准确性由于选择开关的导通电阻而导致下降。
附图说明
图1是具有二重积分模拟-数字转换电路的半导体器件的框图;
图2是示出了第一积分运算和第二积分运算的运算时序的时序图;
图3是示出了修正电路的另一示例的框图;
图4是用于示出了图3的修正电路的运算时序的时序图;
图5是示出了采用了比较器电路的另一示例的二重积分模拟-数字转换电路的框图;
图6是示出了具有二重积分模拟-数字转换电路的半导体器件的第二示例的框图;
图7是示出了修正电路的另一示例的框图;
图8是示出了作为电子控制器件一个示例的在车辆上安装的引擎控制系统的框图;
图9是现有技术中已经提供的二重积分模拟-数字转换电路的解释图;
图10是示出了通过将由复用器选择的测量电阻串联耦合到参考电阻的形成二重积分模拟-数字转换电路的输入电压的输入电路的电路图;以及
图11是用于示出在其中测量电阻的电阻值小的情况下,测量电阻易受选择开关的导通电阻影响的解释图。
具体实施方式
1、实施例概述
首先,将解释在本申请中公开的实施例的概要。在相对于这些实施例的概述的解释中,在以括号方式引用的附图中的任何附图标记仅表示什么被包含在组件的概念中。
[1]《图1,半导体器件》
半导体器件(1)具有:通过参考电阻(Rpu)耦合至第一电压(Vp)的第一节点(N1);通过测量电阻(Rm)耦合至第二电压(Vn)的多个第二节点(N2A、N2B和N2C);用于选择将要耦合至第一节点的第二节点的多个选择开关(4A、4B和4C);修正电路(7),产生通过将第二电压添加到由选择开关选择的第二节点和第一节点之间的电压得到的电压,作为修正电压(Vx);以及二重积分模拟-数字转换电路(6),其求出当修正电压相对于第一节点的电压的电压差被积分到第一电压时所经过的第一积分时间(t1)和第一电压相对于第一节点的电压的电压差被积分到修正电压时所经过的第二积分时间(t2)。
根据这一点,第一节点的电压(Vin)是第二电压(Vn)、测量电阻(Rm)的电压降(IRm)以及选择开关的电压降(Iron)之和。修正电压(Vx)是第二电压(Vn)和由选择开关的电压降(Iron)之和。因此,当修正电压(Vx)与第一节点的电压的电压差(Vin-Vx=IRm)被积分到第一电压时所经过的第一积分运算的积分时间,不包含选择开关的导通电阻的分量。而且,由于第一电压是第二电压(Vn)、由测量电阻(Rm)的电压降(IRm)、由选择开关的电压降(Iron)以及由参考电阻(Rpu)的电压降(IRpu)之和,所以当第一电压与第一节点的电压的电压差(Vin-Vp=-IRpu)被积分到修正电压时所经过的第二积分运算的积分时间同样不包含选择开关的导通电阻的分量。因此,由于选择开关的导通电阻的影响在二重积分的第一积分和第二积分之间是一致的,所以能够抑制由于选择开关的导通电阻导致的测量电阻的检测准确性下降,这使得能够以高准确度来测量该测量电阻的阻值。
[2]《积分电路、检测电路和控制电路》
在第1项中,二重积分模拟-数字转换电路具有:积分电路(12),其执行将修正电压相对于第一节点的电压差积分的第一积分运算,以及将第一电压相对于第一节点的电压的电压差积分的第二积分运算;检测电路(14A、14B、14),其当在第一积分运算中积分电路的积分输出达到第一电压时产生第一检测信号(15A),并且当在第二积分运算中积分电路的积分输出达到修正电压时产生第二检测信号(15B);计数器(20),用于对时钟信号(CK)进行计数;以及控制电路(16),其获取从积分电路开始第一积分运算时到产生第一检测信号时计数器的第一计数值(N),以及获取从第二积分运算开始至产生第二检测信号时计数器的第二计数值(n)。
根据该点,二重积分模拟-数字转换电路可以相对容易地形成。
[3]《米勒积分电路》
在第2项中,积分电路是米勒积分电路(12),其在其同相输入端处接收第一节点的电压,并且在其反相输入端处选择性接收第一电压或修正电压。
根据这一点,使用运算放大器,可以相对容易地形成积分电路。
[4]《借助缓冲放大器和差分放大器的修正电路》
在第1项中,修正电路具有:第一缓冲放大器(22),用于接收第一节点的电压;第二缓冲放大器(23),用于接收由选择开关选择的第二节点的电压;差分放大器(24),其形成通过将第二电压添加到第二缓冲放大器的输出相对于第一缓放大器的输出的电压差而得到的电压,作为修正电压。
根据这一点,利用运算放大器,可以相对容易地形成修正电路。
[5]《借助开关电容器电路的修正电路》
在第1项中,修正电路具有:运算放大器(41),其在其同相输入端处接收第二电压,并且在反相输入端处连结输入电容的一个电容电极;第一开关(42),其将从运算放大器的输出端子反馈耦合至反相输入端子;反馈电容(43),其并联耦合至第一开关;第二开关(44),其与第一开关同相地被开关控制,并且将第一节点的电压施加到处于导通状态的输入电容的另一电容电极;以及第三开关(45),其与第一开关反相被开关控制,并且将第二节点的电压施加到处于导通状态的输入电容的另一电容电极。
根据这一点,运算放大器的数目较之第4项的修正电路可以被减少。
[6]《第一节点和第二节点是外部端子》
在第1项中,第一节点和第二节点是外部端子。
根据这一点,对于二重积分电路输入的必要性被减少以简化准备参考电阻和测量电阻作为半导体器件的外部电路元件的事项。
[7]《图6,半导体器件》
半导体器件(1A)具有:通过参考电阻(Rpu)耦合至第一电压(Vp)的第一节点(N1);通过测量电阻(Rm)耦合至第二电压(Vn)的多个第二节点(N2A、N2B和N2C);多个选择开关(4A、4B和4C),其用于选择将要耦合至第一节点的第二节点;修正电路(7A),其产生通过从第一电压减去在由选择开关所选择的第二节点和第一节点之间的电压而得到的电压,作为修正电压(Vx);以及二重积分模拟-数字转换电路(6A),其求出当修正电压相对于第二节点的电压的电压差被积分到第二电压时所经过的第一积分时间(t1)和当第二电压相对于第二节点的电压的电压差被积分到修正电压时所经过的第二积分时间(t2)。
根据这一点,第二节点的电压(Vin)是第二电压(Vn)和测量电阻(Rm)的电压降(IRm)之和(Vin=Vn+IRm)。修正电压(Vx)是通过从第一电压(Vp)减去选择开关的电压降(Iron)所得到的电压(Vx=Vp-Iron)。此处由于Vp=Vn+IRm+Iron+Irup成立,所以当修正电压(Vx)与第二节点的电压(Vin)的电压差(Vin-Vx=-IRpu)被积分到第一电压时所经过的第一积分运算的积分时间不包含选择开关的导通电阻的分量。而且,当第二电压与第二节点的电压的电压差(Vin-Vn=IRm)被积分到修正电压时的第二积分运算的积分时间同样不包含选择开关的导通电阻的分量。因此,由于选择开关的导通电阻的影响在二重积分的第一积分和第二积分之间是一致的,所以能够抑制测量电阻的检测准确性由选择开关的导通电阻而导致下降,这使得能够以高精度测量该测量电阻的阻值。
[8]《积分电路、检测电路和控制电路》
在第7项中,二重积分模拟-数字转换电路具有:积分电路(12),其执行将修正电压相对于第二节点电压的电压差积分的第一积分运算,以及将第二电压相对于第二节点的电压的电压差积分的第二积分运算;检测电路(14A、14B),其当在第一积分运算中积分电路的积分输出达到第二电压时,产生第一检测信号(15A),并且当在第二积分运算中积分电路的积分输出达到修正电压时,产生第二检测信号(15B);用于对时钟信号(CK)进行计数的计数器(20);以及控制电路(16),其获取从积分电路开始第一积分运算时至第一检测信号产生时计数器的第一计数值(N),以及从第二积分运算开始至第二检测信号产生时计数器的第二计数值(n)。
根据这一点,二重积分模拟-数字转换电路可以相对容易地形成。
[9]《米勒积分电路》
在第8项中,积分电路是米勒积分电路(12),其在其同相输入端处接收第二节点的电压,并且在其反向输入端处选择性接收第二电压或修正电压。
根据这一点,利用运算放大器,可以相对容易地形成积分电路。
[10]《借助缓冲放大器和差分放大器的修正电路》
在第7项中,修正电路具有:第一缓冲放大器(22),其用于接收第一节点的电压;第二缓冲放大器(23),其用于接收由选择开关选择的第二节点的电压;以及差分放大器(24),其形成通过从第一电压中减去将第二缓冲放大器的输出相对于第一缓冲放大器的输出的电压差而得到的电压,作为修正电压。
根据这一点,使用运算放大器,可以相对容易地形成修正电路。
[11]《借助开关电容电路的修正电路》
在第7项中,修正电路包括:运算放大器(41),其在其同相输入端处接收第一电压,并且在其反相输入端处连结输入电容的一个电容电极;第一开关(42),其将运算放大器的输出端反馈耦合至反相输入端;反馈电容(43),其并联耦合至第一开关;第二开关(44),其与第一开关同相被开关控制,并且将第一节点的电压施加到处于导通状态的输入电容的另一电容电极;以及第三开关(45),其与第一开关反相被开关控制,并且将第二节点的电压施加到处于导通状态的输入电容的另一电容电极。
根据这一点,运算放大器的数目可以较之第4项的修正电路而被减少。
[12]《第一节点和第二节点是外部端子》
在第7项中,第一节点和第二节点是外部端子。
根据这一点,输入到二重积分电路的必要性被减少以简化准备参考电阻和测量电阻,作为半导体的外部电路元件的事项。
[13]《采用图1配置的电子控制器件》
一种电子控制器件(60)具有:在控制目标装置(63)中提供的多个测量电阻;参考电阻;通过该参考电阻耦合到第一电压的第一节点;通过测量电阻耦合到第二电压的多个第二节点;用于选择将要被耦合至第一节点的第二节点的多个选择开关;修正电路(7),其产生通过将第二电压添加到在由选择开关所选择的第二节点和第一节点之间的电压而得到的电压,作为修正电压;二重积分模拟-数字转换电路(6),其发现当修正电压相对于第一节点的电压的电压差被积分到第一电压时所经过的第一积分时间以及当第一电压相对于第一节点电压的电压差被积分到修正电压时所经过的第二积分时间;以及控制部,其用于向其输入第一积分时间和第二积分时间,计算通过将第一积分时间与第二积分时间的比率乘以参考电阻的电阻值所得到值,作为测量电阻的电阻值,并且基于该计算结果,控制该控制目标装置。
根据这一点,与第1项类似,由于选择开关的导通电阻的影响在二重积分的第一积分和第二积分之间是一致的,能够抑制测量电阻的检测准确性由于选择开关导通电阻所导致的下降,其使得能够以高精确度测量该测量电阻的阻值。因此,可以提升对于控制目标装置的控制可靠性。
[14]《热敏电阻》
在第13项中,测量电阻是用于温度测量的热敏电阻。
根据这一点,可以提高基于温度测量结果的控制目标装置的控制可靠性。
[15]《引擎控制》
在第14项中,控制目标装置是汽车引擎。
根据这一点,可以提高基于温度测量结果的汽车引擎的控制可靠性。
[16]《光传导电池》
在第13项中,测量电阻是用于光检测的光传导电池。
根据这一点,可以提高基于光测量结果的控制目标装置的控制可靠性。
[17]《气体浓度测量》
在第13项中,测量电阻是用于气体浓度测量的电阻元件。
根据这一点,可以提高基于气体浓度的测量结果的控制目标装置的控制可靠性。
[18]《采用图6的配置的电子控制器件》
电子控制器件(60)具有:在控制目标装置(63)中提供的多个测量电阻;参考电阻;通过参考电阻耦合到第一电压的第一节点;通过测量电阻耦合到第二电压的多个第二节点;用于选择将要被耦合至第一节点的第二节点的多个选择开关;修正电路(7A),其产生通过从第一电压减去将由选择开关所选择的第二节点和第一节点之间的电压所得到的电压,作为修正电压;二重积分模拟-数字转换电路(6A),其求出当修正电压相对于第二节点的电压的电压差被积分到第二电压时所经过的第一积分时间以及当第二电压相对于第二节点的电压的电压差被积分到修正电压时所经过的第二积分时间,计算通过将第一积分时间与第二积分时间的比率乘以操作电阻的电阻值所得到的值,作为测量电阻的阻值,并且基于该计算结果控制该控制目标装置。
根据这一点,与第7项类似,由于选择开关的导通电阻的影响在二重积分的第一积分和第二积分之间是一致的,能够抑制测量电阻的检测准确性由于选择器的开关导通电阻而导致下降,这使得能够以高精确度测量该测量电阻的电阻值。因此,可以提升控制目标装置的控制可靠性。
2、实施例细节
将进一步详细解释实施例的细节。
《半导体器件的第一实施例》
图1示出了具有二重积分模拟-数字转换电路的半导体器件的一个示例。虽然在图中所示的半导体器件不受特别限制,其以已知的CMOS集成电路制造技术,在诸如单晶硅的半导体基板上形成。
例如,图1中所示的半导体器件1形成温度传感器,其具有参考电阻Rpu和多个(例如,三个)外接的测量电阻Rm。不要求测量电阻Rm必须相同。
由于输入电路2的一部分包括通过上述参考电阻Rpu和多个测量电阻Rm的半导体器件1,半导体器件1具有通过参考电阻Rpu耦合至第一电压Vp的第一节点N1、通过各个测量电阻Rm耦合至第二电压Vn的多个第二节点N2A、N2B和N2C以及用于选择要被耦合至第一节点的第二节点N2A、N2B或N2C的多个选择开关4A、4B和4C。选择开关4A、4B、4C的导通电阻以Ron表示。从第一电压Vp延伸至第二电压Vn的电流路径通过被导通的选择开关4A、4B和4C的任何一个形成,并且由电阻电压划分所形成的第一节点N1的电压和第二节点N2i(i=A、B和C)的电压在图中分别示出为Vin和Vb。布置选择性开关5A、5B和5C,用于响应于选择开关4A、4B或4C的导通操作,输入在第二节点N2A、N2B或N2C一侧上的所选的选择开关4A、4B或4C的电压。检测信道切换电路3由选择开关4A、4B和4C和选择性开关5A、5B和5C构成。虽然未明确限定,但是通过从控制电路16输出的控制信号30执行检测信道切换电路3的开关控制,或者由省略了图示的另一逻辑电路执行。顺便地,第一电压Vp和第二电压Vn可以是由半导体器件1的电源电路产生的电压,或者可以是从半导体器件1的外部给定的电压。
半导体器件1具有二重积分模拟-数字转换电路(也秒描述为二重积分ADC)6和修正电路7。
修正电路7产生通过将第二电压Vn施加到由选择开关4A、4B和4C所选择的第二节点N2A、N2B或N2C和第一节点N1之间的电压而得到的电压,作为修正电压Vx。例如,在图1中,修正电路7具有:第一缓冲放大器22,其接收第一节点N1的电压Vin;第二缓冲放大器23,其通过选择性开关5A、5B或5C接收选择开关4A、4B和4C所选择的第二节点N2A、N2B或N2C的电压Vb;以及差分放大器24,其形成通过将第二电压Vn添加到第二缓冲放大器23的输出相对于第一缓冲放大器22的输出的电压差而得到的电压,作为修正电压Vx。电阻25、26、27和28是用于增益调整。
二重积分ADC6找到当修正电压Vx相对于第一节点N1的电压Vin的电压差被积分到第一电压Vp时所经过的第一积分时间t1以及当第一电压Vp相对于第一节点N1的电压Vin的电压差被积分到修正电压Vx时所经过的第二积分时间t2。更具体地说,二重积分ADC 6在其第一阶段具有米勒积分电路12,其在其同相输入端(+)处接收第一节点N1的电压Vin,并且在其反相输入端(-)处接收由开关10A、10B所选择的第一电压Vp或修正电压Vx。13是积分电容(C)并且11是积分电阻器(R)。开关10A、10B的选择由从控制电路16所输出的控制信号控制。米勒积分电路12执行将修正电压Vx相对于第一节点N1的电压Vin的电压差积分的第一积分运算,以及将第一电压Vp相对于第一节点N1的电压Vin的电压差积分的第二积分运算。当在第一积分运算中米勒积分电路12的积分输出达到第一电压Vp时产生检测脉冲(第一检测信号)的磁滞比较器14A,以及当在第二积分运算中米勒积分电路12的输出达到修正电压Vx时产生检测脉冲(第二检测信号)的磁滞比较器14B被布置为比较器电路。
第一检测信号15A和第二检测信号15B被提供给控制电路16。通过将从时钟产生电路(CPG)19输出的时钟信号CK用作参考时钟,控制电路16操作,并且执行用于对时钟信号CK进行计数的计数器20的控制、选择开关10A、10B的选择性控制等。控制电路16控制操作,即,在寄存器17中累计由计数器20在从使得积分电路12通过以选择开关10选择修正电压Vx开始第一积分运算直到产生第一检测信号14A的时间段中所计数的第一计数值N,并且进一步在寄存器18中累计由计数器20在从使得积分电路12通过以选择开关10A选择第一电压Vp开始第二积分运算直到产生第二检测信号14B的时间段中所计数的第二计数值n。
根据图1的配置,当选择开关4A、4B和4C之一被选择时,从第一电压Vp流入到第二电压Vn的电流被指定为I。此时,第一节点N1的电压Vin是第二电压Vn、测量电阻Rm的电压降IRm以及选择开关的导通电阻的电压降Iron之和(Vin=Vn+IRm+Iron)。而且,修正电压Vx是第二电压Vn和选择开关的电压降Iron之和(Vx=Vn+Iron)。因此,修正电压Vx相对于第一节点N1的电压Vin的电压差(Vin-Vx=IRm)被积分到第一电压Vp时所经过的第一积分运算的积分时间t1不包含选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron的分量。而且,由于第一电压Vp是第二电压Vn、测量电阻Rm的电压降IRm、选择开关的电压降Iron以及参考电阻Rpu的电压降IRpu之和(Vp=Vn+IRm+Iron+IRpu),所以第一电压Vp相对于第一节点N1的电压Vin的电压差(Vin-Vp=-IRpu)被积分到修正电压Vx时的第二积分运算的积分时间t2不包含选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron的分量。
图2示出了第一积分运算和第二积分运算的时序图。图2的波形A1、A2分别示出了由米勒积分电路12在Rpu<Rm的情况下执行的第一积分运算的积分波形和第二积分运算的积分波形。图2的波形B1、B2分别示出由米勒积分电路12在Rpu=Rm的情形下执行的第一积分运算的积分波形和第二积分运算的积分波形。如上文所述,由于选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron的分量未包含在第一积分运算的波形或第二积分运算的波形,所以在Rpu=Rm的情形下,积分波形B1、B2中所示的t1=t2成立。
从上文解释中可知,选择开关4A、4B和4C的导通电阻的电压降既不影响由于米勒积分电路12所执行的第一积分运算,也不影响第二积分运算。
接下来,如何通过使用分别对应于第一积分和第二积分运算所得到的积分运算时间t1和t2的计数值cn1、cn2获得测量电阻Rm的值,而不受选择开关4A、4B和4C的导通电阻的电压降影响,将利用数学表达式进行解释。
图2的波形A1的充电操作可以用公式6表示,并且图2的波形A2的充电操作可以由公式7表示。
[公式6]
[公式7]
如果t1和t2分别被设定为N和n,则从公式6和公式7将获得公式8。
[公式8]
在公式6至8中的参数含义如下。n:数字输出(在周期2中的计数);N:在周期t1中的计数;Vin:第一节点的电压(输入电压);Vx:修正电路的输出电压;以及Vp:第一电压。
此处,修正电路的输入电压Vin和输出电压Vx可以分别由公式9和公式10表达。
[公式9]
[公式10]
从公式8至公式10可以得出公式11。
[公式11]
根据公式11,从在周期t1中的计数N、在周期t2中的计数n以及参考电阻Rpu,可以测量测量电阻Rm。也通过该公式,在不受选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron的影响下,可以测量该测量电阻Rm的电阻值。利用作为微计算机(MCU)等的算数单元,可以执行这种计算。
此处,在其中测量电阻Rm被设置为400Ω并且选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron被设置为100Ω的情况下,将根据图9和图10的现有技术的测量结果以及根据图1的技术的测量结果进行详细比较。
参数被设置成Vp=3.6V,Vn=2.4V,并且Rpu=2kΩ,作为已知值。
[公式12]
从现有技术的公式12,下列变成被设置:Vin=2.64V,并且Rm+Ron=500Ω。在实际使用中,由于选择开关的导通电阻的值是未知的,所以测量电阻Rm的电阻值将被测量为大于实际值的值。
与此相反,在其中通过图1中所解释的方法求出测量电阻Rm的情形下,由于通过公式13,Vx变成Vx=2.448V,并且得出n/N=0.2,所以Rm可以被正确地测量为Rm=0.2×2kΩ=400Ω。
[公式13]
从上述可知,选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron的影响未给与米勒积分电路12的第一积分运算和第二积分运算,并且能够抑制由选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron所导致的测量电阻Rm的检测准确性下降。
可以想象的是,在电阻值20Ω至40Ω的范围内,使用测量电阻Rm。此时,在现有技术中,由于选择开关的导通电阻实际上将被添加到测量电阻上,所以结果是,在其中测量电阻Rm的阻值小的情况下,测量电阻易于受如图11中所示的选择开关的导通电阻影响。而且,通过使用诸如二重积分ADC的相对比率的技术,难以执行准确的电阻测量,因为由于选择开关的导通电阻添加而受到的影响的测量准确性根据测量电阻值Rm而不同。
因此,在上述实施例中,能够以高精确度测量该测量电阻的电阻值。
图3示出了修正电路7的另一示例。图3中所示的修正电路是利用开关电容器构成,同时,电压跟随器放大器的缓冲放大器被停止使用。即,修正电路7具有运算放大器41,其在其同相端(+)处接收第二电压Vn,并且在其反相输入端(-)处连结输入电容40的一个电容电极。并联提供将运算放大器41的输出端反馈耦合至反相输入端(-)的反馈开关42,以及并联耦合至反馈开关42的反馈电容43。反馈开关42是通过控制信号S1来开关控制的。布置输入开关44,其与反馈开关42同相通过控制信号被开关控制,并且这个输入开关44将第一节点N1的电压Vin施加到处于导通状态的输入电容40的另一电容电极。而且,布置输入开关45,其与输入开关44反相地通过控制信号S2被开关控制,并且该输入开关45将第二节点N2的电压Vb施加到处于导通状态的输入电容40的另一电容电极。
图4示出了图3的修正电路7的操作时序。控制信号S1、S2利用它们的高电平(高)导通相对应的开关43、44和45,并且利用它们的低电平(低)截止对应开关43、44和45。首先,将S1设置成高电平,并且将S2设置成低电平,其使得反馈电容43重置,并且将运算放大器41的输出Vx初始化为Vn。此后,通过相反的控制信号S1、S2,可以产生修正电压Vx=Vn+(Vin-Vb)。
虽然,图3的修正电路7较之图1可以在电路规模上被缩小不需要缓冲放大器22、23的量,并且应该注意的是,直到修正电压Vx被确定的时间较之图1更长。
图5示出了在二重积分ADC1中的比较器电路的另一示例。此处,比较器电路使用一个磁滞比较器14,并且使得将由选择开关50A所选择的修正电压Vx或者由选择开关50B所选择的第一电压Vp与积分电路12的输出相比较,成为可能。选择开关50A、50B的选择由以与开关10A、10B相同的模式由控制信号31控制。即,开关10B、50B和开关10A、50B是互补控制的开关。
因此,磁滞比较器的数目可以减半。
《第二半导体器件的第二实施例》
图6示出了具有二重积分模拟-数字转换电路的半导体器件的第二示例。虽然在图1中所示的半导体器件1A没有特别限制,其通过已知的CMOS集成电路制造技术,在诸如单晶硅的一个半导体基板上形成。与图1的不同点是,采用了用于输入其中的第二节点N2A、N2B和N2C的第二电压作为输入电压Vin的二重积分ADC 6A,并且采用了用于通过将导通电阻Ron添加到第一电压Vp产生修正电压Vx的修正电路7A。下文将描述的半导体器件1A聚焦于这些不同点。
为了半导体器件1A通过上述参考电阻Rpu和多个测量电阻Rm配置输入电路2,该半导体器件1A具有:通过参考电阻Rpu耦合至第一电压Vp的第一节点N1;通过测量电阻Rm分别耦合至第二电压Vn的多个第二节点N2A、N2B和N2C;多个选择开关4A、4B和4C,用于选择要耦合至第一节点的第二节点N2A、N2B和N2C之一。选择开关4A、4B和4C的导通电阻以Ron指示。通过被导通的选择开关4A、4B和4C的任何一个,形成从第一电压Vp延伸至第二电压Vn的电流路径,并且由电阻电压分割所形成的第一节点N1的电压和第二节点N2i的电压分别在图中示出为Vc和Vin。布置了选择开关5A、5B和5C,用于响应于选择开关4A、4B和4C的导通操作,输入在第二节点N2A、N2B和N2C上的侧面的所选的选择开关4A、4B和4C的电压。选择开关4A、4B和4C以及选择开关5A、5B和5C形成了检测信道切换电路3A。虽然无特别限定,但是用于检测信道切换电路3A的开关控制由从控制电路16输出的控制信号30执行,或者由省略其图示的另一逻辑电路执行。顺便提及,第一电压Vp和第二电压Vn可以是由半导体器件1的电源电路所产生的电压,或者可以是从半导体器件1的外部给定的电压。
半导体器件1A具有二重积分模拟-数字转换电路(也描述为二重积分ADC)6A和修正电路7A。
修正电路7A产生通过从第一电压Vp减去选择开关4A、4B和4C选择的第二节点N2A、N2B或N2C与第一节点N1之间的电压而得到的电压,作为修正电压Vx。例如,在图6中,修正电路7具有:接收第一节点N1的电压Vc的第一缓冲放大器22;接收由选择开关4A、4B和4C通过选择开关5A、5B或5C所选择的第二节点N2A、N2B或N2C的电压Vin的第二缓冲放大器23;差分放大器24,其形成通过将第一电压Vp添加到第一缓冲放大器22的输出相对于第二缓冲放大器23的输出的电压差而得到的电压,作为修正电压Vx。电阻25、26、27和28用于增益调整。
二重积分ADC 6A是用于求出当修正电压Vx相对于第二节点N2A、N2B和N2C的电压Vin的电压差被积分到第二电压Vx时所经过的第一积分时间t1和当第二电压Vn相对于第二节点N2A、N2B和N2C的电压Vin的电压差被积分到修正电压Vx时经过的第二积分时间t2。更具体地说,二重积分电路6A在其第一阶段具有米勒积分电路12,其在其同相输入端(+)处接收电压Vin,并且在其反相输入端(-)处接收由开关10A、10B选择的第二电压Vn或修改电压Vx。13是积分电容(C)并且11是积分电阻器(R)。开关10A、10B的选择由从控制电路16输出的控制信号31控制。米勒积分电路12执行将修正电压Vx相对于电压Vin的电压差积分的第一积分运算,以及将第二电压Vn相对于电压Vin的电压差积分的第二积分运算。当在第一积分运算中米勒积分电路12的积分输出达到第一电压vn时产生检测脉冲(第一检测信号)的磁滞比较器14A,以及当在第二积分运算中米勒积分电路12的输出达到修正电压Vx时产生检测脉冲(第二检测信号)的磁滞比较器14被布置为比较器电路。
第一检测信号15A和第二检测信号15B被提供给控制电路16。控制电路16利用从时钟产生电路(CPG)19输出的时钟信号,作为参考时钟操作,并且执行用于对时钟信号CK进行计数的计数器20的控制,选择开关10A、10B的选择控制等。控制电路16控制操作,即,其在寄存器17中累计由计数器20在从通过选择开关10B选择修正电压Vx使积分电路12开始第一积分运算直到产生第一检测信号14A的周期中所计数的第一计数值N,并且在寄存器18中进一步累计由计数器20在从使得积分电路12通过选择开关10A选择第一电压Vp开始第二积分运算直到产生第二检测信号14B的周期中所计数的第二计数值n。
根据图6的配置,当选择开关4A、4B和4C之一被选择时,从第一电压Vp流入到第二电压Vn的电流被指定为I。此时,第一节点的电压Vc为第二电压Vn、测量电阻Rm的电压降、选择开关导通电阻的电压降Iron之和(Vc=Vn+IRm+Iron)。而且修正电压Vx是第一电压Vp和选择开关的电压降Iron之间的差(Vx=Vp-Iron)。第一电压Vp可以表示为第二电压Vn、测量电阻Rm的电压降IRm、选择开关的电压降Iron以及参考电阻Rpu的电压降IRpu之和(Vp=Vn+IRm+Iron+IRpu)。因此,当修正电压Vx相对于第二节点N2A、N2B和N2C的电压Vin的电压差(Vin-Vx=-IRpu)被积分到第一电压Vn时所经过的第一积分运算的积分时间t1不包含选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron的分量。另一方面,类似地,当第二电压Vn相对于第二节点N2A、N2B和N2C的电压Vin的电压差(Vin-Vn=IRm)被积分到修正电压Vx时的第二积分运算的第二积分时间t2不包含选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron的分量。因此,选择开关4A、4B和4C的导通电阻Ron的电压降不影响由米勒积分电路12执行的第一积分运算或第二积分运算。因此,由于选择开关的导通电阻的影响在二重积分的第一积分和第二积分之间是一致的,能够抑制由于选择开关的导通电阻导致测量电阻的检测准确性下降。
在图6的电路配置中,与公式8对应的关系变成公式14。
[公式14]
在此,修正电路的输入电压Vin和输出电压Vx分别由公式15和16表示。
[公式15]
[公式16]
从公式14至公式16,可以得到公式17。
[公式17]
根据公式17,从在周期t1中的计数N、在周期t2中的计数n以及参考电阻Rpu,可以测量该测量电阻Rm。由于在该操作中未包含选择开关4A、4B和4C的导通电阻的分量,所以总是能够以高精度获得测量电阻的电阻值,而无论参考电阻Rpu和测量电阻Rm的电阻比率如何。为了执行这样的操作,仅必要的是,利用诸如微计算机(MCU)的算数单元来执行它。
由于其它的点与图1中的相同,对它们的具体解释予以省略。
图7示出了修正电路7A的另一示例。利用类似图3的开关电容器来构造它。即,修正电路7A具有运算放大器41,其在其同相输入端(+)处接收第一电压Vp并且在其反相输入端(-)处连结输入电容40的一个电容电极。提供反馈开关42,其将运算放大器41的输出端反馈耦合至反相输入端(-)以及反馈电容43,其并联耦合至反馈开关42。反馈开关42通过控制信号S1被开关控制。布置输入开关44,其与反馈开关42同相地通过控制信号S1被开关控制,并且输入开关44将第一节点N1的电压Vc施加到处于导通状态的输入电容40的另一电容电极。而且,布置输入开关45,其与输入开关44反相地通过控制信号S2被开关控制,并且输入开关45将第二节点N2A、N2B和N2C的电压Vin施加到处于导通状态的输入电容40的另一电容电极。
虽然未具体示出运算时序,但是与图4一样,控制信号S1、S2利用它们的高电平(高)导通对应的开关43、44和45,并且利用它们的低电平(低)截止对应的开关43、44和45。首先,S1被设置为高电平,并且S2被设置为低电平,其重置反馈电容43并且将运算放大器41的输出Vx初始化为Vp。然后,通过相反的控制信号S1、S2可以产生修正电压Vx=Vp+(Vin-Vc)。
《电子控制器件的一个实施例》
图8示出了在汽车上安装的引擎控制系统,作为电子控制器件的一个示例。引擎控制系统60的控制目标是引擎64,并且该系统通过测量引擎排气、吸气、冷却剂等的温度,执行油气混合比、点火时机等的引擎控制。引擎控制系统60具有半导体器件1(1A),其由半导体电路1(1A)和输入电路2(2A)组成。基于图1、图6等解释温度传感器61的配置。测量电阻Rm是,例如,用于引擎排气的热敏电阻、用于引擎吸气的热敏电阻以及用于引擎冷却液的热敏电阻等。微计算机63基于公式11、公式17等,计算测量电阻Rm的电阻值,利用计算结果产生控制信号65,并且利用其执行引擎控制。
对于通过第一积分运算和第二积分运算的计数值N、n的传送,使用例如中断。具体而言,当在通过使用各个测量电阻周期性执行上述第一积分运算和第二积分运算的温度传感器61在四个寄存器17、18中获取计数值N、n时,控制电路16将中断请求信号IRQ输出至微计算机63。响应于中断请求,微计算机63开始测量电阻的算数处理程序。通过这一点,测量电阻Rm的阻值被计算,并且根据该计算结果,执行对汽车引擎的控制。由于如上所述,计数值N、n可以被高精确性地测量,能够对于测量电阻Rm以高精确度获得电阻值。即,能够以高精确性执行诸如引擎温度等的引擎控制。
测量电阻不限于用于温度测量的热敏电阻。测量电阻可以是用于光检测的光导电池。用于光传感器的CDS光导电池具有的特性是,当其亮时,其电阻变低,当其暗时,电阻变高。因此,以通过二重积分ADC获得的电阻值能够检测灯的亮度。测量电阻可以是用于气体浓度测量的电阻元件。气体浓度传感器也根据气体浓度呈现其电阻值的升高和降低,这使得能够利用电阻值检测浓度。
本发明不限于上述实施例,并且不言而喻的是,在不脱离其主旨的条件下,可以对其进行各种修改。
例如,用于二重积分ADC的输入电路的电阻不限于电阻元件,可以由晶体管、开关电容器等的导通电阻组成。测量电阻不限于用于温度测量的热敏电阻、光传感器的光导电池以及气体浓度传感器的电阻元件,可以适当地进行修改。而且,在图1至图6的每一个中,半导体器件也可以配置有整体被逆变的电压极性。电子控制器件可广泛应用于其它车载系统、工业设施、家庭系统等,而不限于引擎控制系统。
Claims (18)
1.一种半导体器件,包括:
第一节点,所述第一节点通过参考电阻耦合至第一电压;
多个第二节点,所述多个第二节点通过测量电阻耦合至第二电压;
多个选择开关,所述多个选择开关用于选择将要被耦合至所述第一节点的第二节点;
修正电路,所述修正电路产生通过将所述第二电压添加到在由所述选择开关所选择的所述第二节点和所述第一节点之间的电压而得到的电压,作为修正电压;以及
二重积分模拟-数字转换电路,所述二重积分模拟-数字转换电路求出当所述修正电压相对于所述第一节点的电压的电压差被积分到所述第一电压时所经过的第一积分时间,以及当所述第一电压相对于所述第一节点的电压的电压差被积分到所述修正电压时所经过的第二积分时间。
2.根据权利要求1所述的半导体器件,
其中,所述二重积分模拟-数字转换电路具有:
积分电路,所述积分电路执行对所述修正电压相对于所述第一节点的电压的电压差积分的第一积分操作,以及对所述第一电压相对于所述第一节点的电压的电压差积分的第二积分操作;
检测电路,所述检测电路当在所述第一积分操作中所述积分电路的积分输出达到所述第一电压时,产生第一检测信号,并且当在所述第二积分操作中所述积分电路的积分输出达到所述修正电压时,产生第二检测信号;
计数器,所述计数器用于对时钟信号进行计数;以及
控制电路,所述控制电路获取从当所述积分电路开始所述第一计数操作直到产生所述第一检测信号时所述计数器的第一计数值,以及从当开始所述第二计数操作直到产生所述第二检测信号时所述计数器的第二计数值。
3.根据权利要求2所述的半导体器件,
其中,所述积分电路是米勒积分电路,所述米勒积分电路在其同相输入端处接收所述第一节点的电压,并且在其反相输入端处选择性地接收所述第一电压或所述修正电压。
4.根据权利要求1所述的半导体器件,
其中,所述修正电路具有:
第一缓冲放大器,所述第一缓冲放大器用于接收所述第一节点的电压;
第二缓冲放大器,所述第二缓冲放大器用于接收由所述选择开关选择的所述第二节点的电压;以及
差分放大器,所述差分放大器形成通过将所述第二电压添加到所述第二缓冲放大器的输出相对于所述第一缓冲放大器的输出的电压差而获得的电压,作为所述修正电压。
5.根据权利要求1所述的半导体器件,
其中,所述修正电路包括:
运算放大器,所述运算放大器在其同相输入端处接收所述第二电压,并且在其反相输入端处连结输入电容的一个电容电极;
第一开关,所述第一开关将所述运算放大器的输出端子反馈耦合至所述反相输入端;
反馈电容,所述反馈电容并联耦合至所述第一开关;
第二开关,所述第二开关是与所述第一开关同相开关控制的,并且将所述第一节点的电压施加到处于导通状态的所述输入电容的另一电容电极;以及
第三开关,所述第三开关是与所述第一开关反相开关控制的,并且将所述第二节点的电压施加到处于导通状态的所述输入电容的另一电容电极。
6.根据权利要求1所述的半导体器件,
其中,所述第一节点和所述第二节点是外部端子。
7.一种半导体器件,包括:
第一节点,所述第一节点通过参考电阻耦合至第一电压;
多个第二节点,所述多个第二节点通过测量电阻耦合至第二电压;
多个选择开关,所述多个选择开关用于选择将要被耦合至所述第一节点的第二节点;
修正电路,所述修正电路产生通过从所述第一电压减去由所述选择开关所选择的所述第二节点和所述第一节点之间的电压而获得的电压,作为修正电压;以及
二重积分模拟-数字转换电路,所述二重积分模拟-数字转换电路求出当所述修正电压相对于所述第二节点的电压的电压差被积分到所述第二电压时所经过的第一积分时间,以及当所述第二电压相对于所述第二节点的电压的电压差被积分到所述修正电压时所经过的第二积分时间。
8.根据权利要求7所述的半导体器件,
其中,所述二重积分模拟-数字转换电路具有:
积分电路,所述积分电路执行对所述修正电压相对于所述第二节点的电压的电压差积分的第一积分操作以及对所述第二电压相对于所述第二节点的电压的电压差积分的第二积分操作;
检测电路,所述检测电路当在所述第一积分操作中所述积分电路的积分输出达到所述第二电压时,产生第一检测信号,并且当在所述第二积分操作中所述积分电路的积分输出达到所述修正电压时,产生第二检测信号;
计数器,所述计数器用于对时钟信号进行计数;以及
控制电路,所述控制电路获取从当所述积分电路开始所述第一积分操作直到产生所述第一检测信号时所述计数器的第一计数值,以及从当所述积分电路开始所述第二积分操作直到产生所述第二检测信号时所述计数器的第二计数值。
9.根据权利要求8所述的半导体器件,
其中,所述积分电路是米勒积分电路,所述米勒积分电路在其同相输入端处接收所述第二节点的电压,并且在其反相输入端处选择性地接收所述第二电压或所述修正电压。
10.根据权利要求7所述的半导体器件,
其中,所述修正电路具有:
第一缓冲放大器,所述第一缓冲放大器用于接收所述第一节点的电压;
第二缓冲放大器,所述第二缓冲放大器用于接收由所述选择开关选择的所述第二节点的电压;以及
差分放大器,所述差分放大器形成通过从所述第一电压减去所述第二缓冲放大器的输出相对于所述第一缓冲放大器的输出的电压差而获得的电压,作为所述修正电压。
11.根据权利要求7所述的半导体器件,
其中,所述修正电路包括:
运算放大器,所述运算放大器在其同相输入端处接收所述第一电压,并且在其反相输入端处连结输入电容的一个电容电极;
第一开关,所述第一开关将所述运算放大器的输出端子反馈耦合至所述反相输入端;
反馈电容,所述反馈电容并联耦合至所述第一开关;
第二开关,所述第二开关是与所述第一开关同相开关控制的,并且将所述第一节点的电压施加到处于导通状态的所述输入电容的另一电容电极;以及
第三开关,所述第三开关是与所述第一开关反相开关控制的,并且将所述第二节点的电压施加到处于导通状态的所述输入电容的另一电容电极。
12.根据权利要求7所述的半导体器件,
其中,所述第一节点和所述第二节点是外部端子。
13.一种电子控制器件,包括:
多个测量电阻,所述多个测量电阻被提供在控制目标装置中;
参考电阻;
第一节点,所述第一节点通过所述参考电阻耦合至第一电压;
多个第二节点,所述多个第二节点通过所述测量电阻耦合至第二电压;
多个选择开关,所述多个选择开关用于选择将要被耦合至所述第一节点的所述第二节点;
修正电路,所述修正电路用于产生通过将所述第二电压添加到由所述选择开关选择的所述第二节点和所述第一节点之间的电压而获得的电压,作为修正电压;
二重积分模拟-数字转换电路,所述二重积分模拟-数字转换电路求出当所述修正电压相对于所述第一节点的电压的电压差被积分到所述第一电压时所经过的第一积分时间,以及当所述第一电压相对于所述第一节点的电压的电压差被积分到所述修正电压时所经过的第二积分时间;以及
控制部,所述控制部将所述第一积分时间和所述第二积分时间输入其中,计算通过将所述第一积分时间与所述第二积分时间的比率乘以所述参考电阻的电阻值所获得的值,作为所述测量电阻的电阻值,并且基于所述计算结果,控制所述控制目标装置。
14.根据权利要求13所述的电子控制器件,
其中,所述测量电阻是用于温度测量的热敏电阻器。
15.根据权利要求14所述的电子控制器件,
其中,所述控制目标装置是汽车引擎。
16.根据权利要求13所述的电子控制器件,
其中,所述测量电阻是用于光电检测的光导电池。
17.根据权利要求13所述的电子控制器件,
其中,所述测量电阻是用于气体浓度测量的电阻元件。
18.一种电子控制电路,包括:
多个测量电阻,所述多个测量电阻被提供在控制目标装置中;
参考电阻;
第一节点,所述第一节点通过所述参考电阻耦合至第一电压;
多个第二节点,所述多个第二节点通过所述测量电阻耦合至第二电压;
多个选择开关,所述多个选择开关用于选择将要被耦合至所述第一节点的所述第二节点;
修正电路,所述修正电路用于产生通过从所述第一电压减去由所述选择开关所选择的所述第二节点和所述第一节点之间的电压而获得的电压,作为修正电压;
二重积分模拟-数字转换电路,所述二重积分模拟-数字转换电路求出当所述修正电压相对于所述第二节点的电压的电压差被积分到所述第二电压时所经过的第一积分时间,以及当所述第二电压相对于所述第二节点的电压的电压差被积分到所述修正电压时所经过的第二积分时间;以及
控制部,所述控制部将所述第一积分时间和所述第二积分时间输入其中,计算通过将所述第一积分时间与所述第二积分时间的比率乘以所述参考电阻的电阻值所获得的值,并且基于所述计算结果,控制所述控制目标装置。
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