CN105049052A - 带温度补偿功能的三角积分模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带温度补偿功能的三角积分模数转换器，改三角积分的反馈环路中设置有积分器，以起到低通滤波的作用，积分器后接有量化器，量化器的作用是将模拟信号转换成数字信号，所述三角积分模数转换器还连接有传感器信号转换电路，所述传感器信号转换电路作为参考电压连接于积分器。通过为数模转换器提供增益温漂来抵消传感器的温漂影响，从而达到消除温漂的影响，提高数模转换器的精度的作用。

Description

带温度补偿功能的三角积分模数转换器

技术领域

本发明属于本技术方案应用于集成电路领域，尤其应用于检测模拟信号的三角积分模数转换器。

背景技术

数模转换器是集成电路领域常用的模块之一，用于将电压模拟信号转换成数字信号，以供数字控制单元处理。由于模拟设计的复杂性，数模转换器的精度、速度、温漂等指标常常成为整个信号处理系统的瓶颈之一。

三角积分数模转换器是目前最常用的一种数模转换器，与逐次逼近数模转换器、流水线数模转换器等其他架构的数模转换器相比，具有高精度、低功耗的优势。特别是在精度要求18bit以上的应用领域，三角积分数模转换器是最流行的架构。

在很多应用领域中，由传感器为数模转换器提供输入信号，传感器包括压力传感器、湿度传感器、加速度传感器等。传感器往往具有一定的温度特性，且该温度特性不定。不同厂家的传感器会有不一样的温度特性。这样就会造成数模转换器的处理结果也带有一定的温度特性，或温漂，从而影响了数模转换器的精度。

如专利申请200820058176.2所提出的适用于模数转换器的差分参考电压源电路，该电路由带隙基准电流产生电路、差分电压产生电路和输出缓冲器依次连接组成。这种结构能产生所需的带温度补偿的，具有强驱动能力的差分参考电压。同时，参考电压对地线和电源线上的干扰有很强的抑制能力。本实用新型的电路结构简单，功耗低，输出电压稳定，能够满足高速高精度ADC对于差分参考电压的要求。但是其是由带隙基准电流产生电路、差分电压产生电路和输出缓冲器构成，带隙基准电流产生电路能产生经过温度补偿的电流。它将热电压VT和三极管基极-发射极的结电压VBE分别转化为正温度系数电流IP和负温度系数电流IN，然后通过这两类电流的累加产生温度补偿的基准电流IREF。这种结构方式导致电路结构复杂，对温漂的处理效果不明显，仍然会影响数模转换器的精度。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种带温度补偿功能的三角积分模数转换器，该模数转换器能够有效地消除温漂的影响。

本发明的另一个目的在于提供一种带温度补偿功能的三角积分模数转换器，该模数转换器通过为数模转换器提供增益温漂来抵消传感器的温漂影响；且该模数转换器易于实现，能够大大降低成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种带温度补偿功能的三角积分模数转换器，改三角积分的反馈环路中设置有积分器，以起到低通滤波的作用，积分器后接有量化器，量化器的作用是将模拟信号转换成数字信号，其特征在于所述三角积分模数转换器还连接有传感器信号转换电路，所述传感器信号转换电路作为参考电压连接于积分器。通过为数模转换器提供增益温漂来抵消传感器的温漂影响，从而达到消除温漂的影响，提高数模转换器的精度的作用。

传感器信号转换电路，包含了一个温漂产生电路用来生成电压Vtemp来抵消传感器温漂的影响，Vtemp作为参考电压，与Vref一起通过非交叠时钟ph2开关接于积分器上。

进一步，所述温漂产生电路也可包含一逻辑控制单元和存储器，所述存储器内存储有各个温度、湿度下最优的Vtemp数据，在温漂为非线性变化时，逻辑控制单元从存储器内用查表的方式读取并输出在将各个温度、湿度下最优的Vtemp以改善系统精度。

本发明通过为数模转换器提供增益温漂来抵消传感器的温漂影响，从而达到消除温漂的影响，提高数模转换器的精度的作用。

且该模数转换器易于实现，能够大大降低对温漂的控制成本。

附图说明

图1是开关电容式一阶三角积分转换器的原理图。

图2是开关电容式一阶三角积分转换器的简化电路图。

图3是本发明所实现传感器信号转换系统的结构框图。

图4是本发明所实现三角积分转换器的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

三角积分转换器的原理和架构属于公知技术，下面仅以开关电容式一阶三角积分转换器为例表述本发明，但是本发明也可以用于二阶、高阶、多比特、级联、连续模式等其他架构的三角积分转换器。

传统的三角积分转换器将传感器的模拟信号转换成数字信号，是利用芯片内的低压差电压转换器(Lowdropoutputregulator)将电源VDD的电压调整到更为稳定的电压Vref，后者作为片外传感器的电源，同时也作为三角积分转换器(SigmaDeltaconvertor)的电源和参考电压。传感器将压力、湿度、加速度等物理量转换成电压量Vsens，输出到芯片内的三角积分转换器。三角积分转换器将模拟电压量Vsens转换成数字信号Dsens，并传输给逻辑控制单元处理进行数字滤波等处理，最后输出数字信号Dchip到芯片外。

在理想情况下，上述传感器的输出电压Vsens不受温度影响，但是实际的传感器会有一定的温度系数，即在不同温度下会对同一物理量输出不同的Vsens，这就影响了系统的精度。为了补偿传感器的温漂，需要在系统中引入另一个温度变化量来抵消其变化。

请参照图1所示，本发明所实施的开关电容式一阶三角积分转换器的原理如图1。三角积分转换器的关键是通过噪声整形将量化噪声和电路噪声转移到系统带宽之外，这需要在三角积分的反馈环路中放置一个积分器，如图1中的积分器，以起到低通滤波的作用。量化器的作用是将模拟信号转换成数字信号，由于噪声已经被衰减，这个量化器在电路上很容易实现。

开关电容式一阶三角积分转换器的简化电路如图2所示。转换器在两个非交叠时钟ph1和ph2的控制下工作，时钟ph1和ph2分别代表采样和积分项。在采样相位，ph1所连接的各个开关导通，输入电压Vsens被采样到电容Cs上；在积分相位，采样电容Cs上的电荷转移到积分电容Ci上，并输出电压。

积分器由虚线框内的若干(至少两个)开关、电容和一个运放组成。参考电压Vref的作用是作为环路的反馈电压：在Dsens为高电平时，-Vref/2在采样相位被采样到电容Cs；在Dsens为低电平时，Vref/2在采样相位被采样到电容Cs。Vref/2或-Vref/2被采样到电容Cs后又将在积分相位将电荷转移积分电容Ci上，并影响Dsens。输出Dsens将是串行数码，该码值的大小表示的是Vin与Vref的比值。

传感器所检测的物理量没有变化的情况下，Vsens也会随Vref变化，这在压力传感器中尤为明显。由于压力传感器的Vsens是电阻分压Vref后产生的电压，Vsens随Vref线性变化，但是这一变化对系统精度的影响很小或可忽略。

例如，在一个典型的压力检测系统中，Vref＝2.5V，加上10公斤的重物后Vsens＝0.001V，Dsens＝Vref/Vsens＝2.5/0.001＝2500。之后保持10公斤的重量不变后，受温度影响，Vref由2.5V小了1％至2.475V，由于Vsens随Vref线性变化，Vsens也将减小1％至0.00099V，则Dsens＝Vref/Vsens＝2.475/0.00099＝2500，输出保持不变。所以，Vref的变化对系统精度没有影响。

但是，传感器的温漂对系统精度影响很大。继续上面的例子。保持10公斤的重量不变后。受温度影响，压力传感器产生了温漂，Vsens由0.001V变化到了0.0011V，则Dsens＝Vref/Vsens＝2.475/0.0011＝2250。可见，同样是检测10公斤的重量，系统在温度或湿度变化前后，产生了不同的输出，出现了误差。

本发明所实现的传感器信号转换电路如图3所示，传感器信号转换电路包含了一个温漂产生电路用来生成电压Vtemp，以来抵消传感器温漂的影响。Vtemp与温度成正比或反比，其具体电路可利用公知技术来实现，并可根据系统的应用要求设置。温漂产生电路也可包含一逻辑控制单元及存储器，各个温度、湿度下最优的Vtemp事先储存于存储器中，需要时逻辑控制单元从存储器中读取数据，采用查表的方式输出在将各个温度、湿度下最优的Vtemp以改善系统精度。

Vtemp在三角积分转换器中的作用与Vref类似，都是起到反馈电压的作用，如图4所示，Vtemp作为参考电压，与Vref一起通过非交叠时钟ph2开关接于积分器上。但是，由于Vtemp不参与传感器的供电，Vtemp不会影响到Vsens电压，而Dsens等于Vsens与Vref以及Vtemp的比值。

图中，标有ph1的开关有多个，表示受ph1控制的开关，同样，ph2的开关有多个，也表示受ph2控制的开关。

继续上面的压力检测。Vref＝2.5V，加上10公斤的重物后Vsens＝0.001V，Dsens＝Vref/Vsens＝2.5/0.001＝2500。受温度影响，压力传感器产生了温漂，Vsens由0.001V变化到了0.0011V，则Dsens＝Vref/Vsens＝2.475/0.0011＝2250。如果使用图3和图4转换电路和三角积分转换器，Vtemp设置为0.275V，则Dsens＝(Vref+Vtemp)/Vsens＝(2.475+0.275)/0.0011＝2500，不受温度影响。

用具体的电路实现与温度成线性变化的Vtemp并不难，但是在传感器的温漂并非线性变化时，Vtemp对系统精度提高不够。这种情况下，可以考虑用查表法，将各个温度、湿度等环境下的Vtemp储存在寄存器中，以优化各种环境条件下的系统精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带温度补偿功能的三角积分模数转换器，改三角积分的反馈环路中设置有积分器，以起到低通滤波的作用，积分器后接有量化器，量化器的作用是将模拟信号转换成数字信号，其特征在于所述三角积分模数转换器还连接有传感器信号转换电路，所述传感器信号转换电路作为参考电压连接于积分器。通过为数模转换器提供增益温漂来抵消传感器的温漂影响。

2.如权利要求1所述的带温度补偿功能的三角积分模数转换器，其特征在于所述传感器信号转换电路，包含了一个温漂产生电路用来生成电压Vtemp来抵消传感器温漂的影响，Vtemp作为参考电压，与Vref一起通过非交叠时钟ph2开关接于积分器上。

3.如权利要求2所述的带温度补偿功能的三角积分模数转换器，其特征在于所述温漂产生电路也可包含一逻辑控制单元和存储器，所述存储器内存储有各个温度、湿度下最优的Vtemp数据。