CN109004926B - 信号处理电路、对应的传感器器件和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及信号处理电路、对应的传感器器件和设备。电路包括第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子和输出端子。第一求和节点将在第一输入端子和第三输入端子处的信号相加。第二求和节点将在第二输入端子和第三输入端子处的信号相减。选择器响应于选择信号在相加的信号与相减的信号之间进行选择。选择器的输出被积分以生成积分信号。该积分信号由比较器与阈值进行比较，该比较器在输出端子处生成具有第一电平和第二电平的输出信号。该输出信号的反馈产生选择信号，使得选择器响应于输出信号的第一电平选择相加的信号，并且使得选择器响应于输出信号的第二电平选择相减的信号。

Description

信号处理电路、对应的传感器器件和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年4月27日提交的意大利专利申请No.102017000045616的优先权权益，其公开内容据此通过引用以其整体在法律允许的最大范围内并入。
技术领域
该描述涉及信号处理电路。
例如，可以在非接触式温度传感器器件中使用一个或多个实施例。
背景技术
温度高于绝对零度的对象以电磁辐射(“光”)的形式发射能量。在大多数情况下，该辐射处于比可见光的频率更低的频率处并且对人眼不可见。
这种辐射可以通过使用电子器件(诸如非接触式温度传感器)被检测。非接触式温度传感器可以检测例如由对象发射的红外(IR)辐射，并且基于该检测可以提供对象温度的测量而不与该对象进行接触。例如，由对象发射的红外能量可以被引导(例如，使用透镜)到传感器的接收界面处的某个表面上，由此提供该表面中的温度增加。
热电堆是一种将热能转换成电能的电子器件。
由于称为塞贝克效应(Seebeck effect)的物理效应，可以在热电堆中生成电压。随着加热集中在对应于热电堆的“热”接合点和被设计为对这种温度增加不敏感的“冷”接合点的表面上，归因于塞贝克效应，热电堆将产生电压差，该电压差为这种加热的作用，即指示(例如，成比例于)对象的温度的电压差。这样产生的电压差可以在接收界面处被放大，以提供对象温度的测量作为输出。
非接触式温度传感器可以准许检测(测量)人体温度、对象温度、周围环境温度等。
非接触式温度传感器可以包括滤光器，滤光器被设计成仅传播由对象发射的热辐射中的某个波长范围。
尽管在刚才讨论的领域中进行了大量的活动，但仍然需要改进的解决方案，特别是关于简化传感器电路的整体结构，因此例如就半导体器件中占用的硅区域而言，使得生产不太昂贵和/或空间消耗更少。
发明内容
在一个实施例中，根据一个或多个实施例的信号处理电路可以用于产生具有由诸如以下关系给出的平均值<Dout>的二进制比特流Dout：
<Dout>＝(V1+V3)/(V1+V2)
其中V1、V2、V3是三个(模拟)输入信号(诸如例如电压信号)。
该器件可以包括温度传感器，该温度传感器被实施为对应的设备(诸如非接触式(例如，体温)温度计)。
一个或多个实施例准许使用紧凑架构来读出对象的温度，其中通过采取单一转换来有效地跟踪对象的温度。
因此，尽管鉴于在非接触式温度感测中的可能用途而开发，但实施例不限于这种可能的用途。
在一个实施例中，电路包括：
-第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子和输出端子，
-第一求和节点，第一输入端子和第三输入端子相加地被耦合到第一求和节点，
-第二求和节点，第三输入端子和第二输入端子相减地被耦合到第二求和节点，
-选择器，具有被耦合到第一求和节点的第一输入、耦合到第二求和节点的第二输入以及可选择地耦合到第一输入或第二输入的输出，
-积分器，在选择器输出上激活，该积分器在积分器输出处具有积分信号，
-比较器，该比较器在积分器与输出端子之间，该比较器对积分器输出处的积分信号敏感，并且在所述输出端子处提供具有第一电平和第二电平的输出信号，以及
-反馈线，该反馈线从输出端子到选择器，其中该选择器输出分别耦合到具有第一电平或第二电平处的所述输出信号的第一选择器输入或第二选择器输入。
在一个或多个实施例中，所述输出信号的第一电平和第二电平可以包括二进制电平“0”和“1”。
在一个或多个实施例中，器件可以包括：
-根据一个或多个实施例的电路，
-第一传感器，提供随着周围环境温度增加而增加的信号，被耦合到所述第一输入端子，
-第二传感器，提供随着周围环境温度增加而减小的信号，被耦合到所述第二输入端子，
-热电堆，提供指示对象相对于周围环境温度的温度差的信号，该热电堆被耦合到所述第三输入端子，其中所述输出信号的平均值指示所述对象的温度。
在一个或多个实施例中，第一传感器可以包括一对双极晶体管，所述一对双极晶体管针对晶体管区域和晶体管偏置电流中的至少一项是彼此不同的，其中随着周围环境温度增加而增加的信号包括：在所述一对双极晶体管中的双极晶体管的基极到发射极电压的差。
在一个或多个实施例中，第二传感器可以包括单一双极晶体管，其中随着周围环境温度增加而减小的信号包括：所述单一双极晶体管的基极到发射极电压。
一个或多个实施例可以包括求平均电路块以产生所述输出信号的平均值。
在一个或多个实施例中，求平均电路块可以包括在所述输出信号上激活的抽取滤波器。
根据一个或多个实施例的操作电路或器件的方法可以包括：将所述第三输入端子维持在低于所述第二输入端子处的(电压)电平的(电压)电平处，其中所述输出信号的平均值位于0与1之间。
在一个实施例中，设备(例如，非接触式温度计)可以包括：
-根据一个或多个实施例的器件，
-温度显示单元，被耦合到所述器件，该温度显示单元被配置成显示所述输出信号的平均值。
附图说明
现在将参照附图仅以举例的方式描述一个或多个实施例，其中：
图1是非接触式温度传感器的框图，
图2是根据一个或多个实施例的电路的框图，以及
图3是根据一个或多个实施例的电路在非接触式温度传感器中的可能使用的示例。
具体实施方式
在随后的描述中，说明了一个或多个具体细节，目的在于提供对该描述的实施例的示例的深入理解。可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等来获得实施例。在其他情况下，未详细说明或描述已知结构、材料或操作，使得实施例的某些方面将不被混淆。
在本说明书的框架中对“实施例”或“一个实施例”的引用旨在指示相关于该实施例描述的特定配置、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，可能出现在本说明书的一个或多个要点中的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”的短语不一定指代同一个实施例。此外，特定的构造、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合。
本文使用的参考文献仅仅是为了方便而提供的，并且因此不限定保护程度或实施例的范围。
图1是非接触式温度传感器的框图。
如先前所讨论，热电堆TP可以被用于生成与对象的温度Tobj成比例的(电压)信号。
更具体地：
-如果热电堆的“热”接点接收到周围环境温度下的来自对象的辐射(电磁)能量并且热电堆的“冷”接点的温度也处于周围环境温度，则热电堆TP将产生差分输出电压等于零，
-可以设计热电堆的冷接点(以本身已知的方式)以便不被暴露于来自对象的辐射：因此可以假定冷接点处于等于周围环境温度Tamb的温度Tcold，其中来自对象的辐射(仅)到达热电堆的热接点，
-当热电堆的热接点接收到高于/低于周围环境温度的温度Tobj下的来自对象的辐射能量时，那么热接点将处于相对于周围环境温度对应地更高/更低(相差ΔT)的温度Thot。
因此来自热电堆的电压Vin将指示(成比例于)热接点的温度与冷接点的温度之间的差，即对象温度与周围环境温度之间的差：
Vin＝ΔT*S＝(Thot-Tcold)*S＝(α*Tobj-Tamb)
其中：
-S是热电堆的塞贝克系数，以及
-α是对象温度与热电堆的热接点的温度之间的温度的比例因子。
在如图1所例示的电路装置中，来自热电堆TP的信号Vin在放大器(Amp)A中被放大并且在(第一)模数转换器ADC1中被转换成数字信号。
如先前所讨论，信号Vin指示对象温度高于/低于周围环境温度的量。因此，在如图1所示例的装置中，周围环境温度Tamb(通过任何已知类型的温度传感器TS)被感测，并且然后经由(第二)模数转换器ADC2转换成数字信号。
基于上文公布的关系，被配置成接收来自两个转换器ADC1、ADC2的信号的处理器DSP(例如数字信号处理器)可以计算从周围环境温度Tamb开始的对象温度Tobj的值和来自热电堆TP的信号Vin。
图1中所示例的装置通过使用包括两个转换器ADC1、ADC2的接收链来(同时)感测来自热电堆TP的信号和来自周围环境温度的传感器TS的信号。使用两个转换器涉及一定的电流消耗；同样，两个转换器例如在半导体器件(诸如集成电路)中占据对应的区域。
可以考虑使用根据时分复用方案操作的单一转换器的可能性，即通过交替地读取来自热电堆TP的信号和来自传感器TS的信号。虽然这种方法可能涉及区域上的减小，但是只要单一转换器需要接通一定时间，该时间是包括两个转换器的装置中的单独转换器的激活时间的两倍，可能就几乎感觉不到电流消耗方面的优势。
多路复用方案的附加缺点可能在于，与图1所例示的两个转换器装置相比，只要两次后续测量之间的周围环境温度的改变会导致评估对象温度中的误差，在不同时间检测来自热电堆TP和温度传感器TS的信号就会导致对应的误差。
图2是根据一个或多个实施例的电路的示例图。
如先前所注释，尽管着眼于在温度传感器(包括例如热电堆)中可能使用而开发，但是图2中示例的电路10可以在各种不同的情况下应用，只要这种电路可以提供将一般指定为V1、V2和V3的三个(模拟)输入信号的模数(ADC)转换成输出数字信号Dout：因此，本文对温度传感器中可能使用的参考是示例性的，而不是对实施例的限制。
在一个或多个实施例中，输出信号Dout可以是频率为fs的二进制比特流，该信号是采用第一值(例如“0”)和第二值(例如“1”)并且以(采样)频率fs生成。
在如图2所示例的一个或多个实施例中，电路10因此可以包括第一输入端子V1、第二输入端子V2和第三输入端子V3以及输出信号Dout所在的输出端子。
在如图2中所示例的一个或多个实施例中，电路10包括第一求和节点121和第二求和节点122。
第三输入端子V3与第一输入端子V1一起被耦合到第一求和节点121。第一输入端子V1和第三输入端子V3在第一求和节点121处“相加地”(即，例如两者具有相同的正号，数学上为+V1+V3)耦合，该第一求和节点121实际上充当相加节点。
第三输入端子V3也与第二输入端子V2一起被耦合到第二求和节点122。第二端子V2和第三端子V3在第二求和节点122处“相减地”(即具有相反的符号，例如负号和正号，数学上为-V2+V3)耦合，该第二求和节点122实际上充当相减节点。
在图2的图中，参考标记14表示具有耦合到第一求和节点121的第一输入141和耦合到第二求和节点122的第二输入142的选择器(例如，多路复用器电路)。
选择器14还包括输出端子143，该输出端子143可以根据在选择器14的控制输入144处提供的控制信号而被(交替地)耦合到第一输入141或第二输入142，如以下所讨论的。
级联(下游)到选择器14，提供积分器16，该积分器16在输入161上接收来自选择器14的输出143。
根据在输出143处从选择器14输出的信号，积分器16在输出162提供积分信号，该积分信号被馈送到布置在积分器16与提供信号Dout的输出端子之间的比较器18。比较器18因此在电路10的输出端子处提供具有第一电平和第二电平(例如“0”和“1”)的输出信号Dout。
比较器18在(采样)频率fs下利用阈值TV操作。
(二进制)输出信号Dout经由反馈线182被耦合到选择器的控制输入144。
如图2所示例的电路10的操作可以如下这样的方式布置，使得来自积分器16(在输出162处)的输出信号具有基本等于零的平均值。
例如，如图2所示例的电路10的操作可以如下这样的方式调整，使得当积分器16的输出信号高于阈值TV时，输入选择器144将选择某一输入信号(例如，输入141或输入142)以便改变积分器的输出信号的斜率。类似地，当输出信号低于阈值TV时，输入选择器将改变输入信号(例如，输入142或输入141)和输出信号斜率，以便使输出信号的平均值等于零。
出于这种操作的目的，输入信号V1、V2和V3可合理地假定为恒定的或具有相对低于整个系统的频率时钟fs的带宽。
在一个或多个实施例中，施加到端子V1、V2、V3的信号可以是电压信号(为了简单起见，本文使用相同的名称用于端子以及在这些端子处的相应信号)。
在一个或多个实施例中，可以经由反馈线182来控制选择器14，使得在Dout＝0(第一电平)的情况下，选择器14被设定为输出143处的输出信号对应于在输入141的输入信号(即V1+V3)，而对于Dout＝1(第二电平)，选择器输出143被耦合到选择器输入142(-V2+V3)。
利用这样的控制逻辑，来自积分器16(输出162)的积分信号的平均值可以基本上为零，并且在这种情况下应用以下关系：
(1-Dout)*(V1+V3)+Dout*(-V2+V3)＝0。
因此，输出信号Dout的平均值，即<Dout>可以表示为：
<Dout>＝(V1+V3)/(V1+V2)
信号Dout是采样频率fs处的二进制比特流，它们的平均值由上文的关系给出。二进制信号Dout的平均值可以以本身已知的方式例如经由数字抽取滤波器从该比特流获得，并且被呈现在包括在单元D中的显示屏上。
在一个或多个实施例中，端子V1、V2和V3处的信号的变化范围可以以Dout的平均值位于0与1之间的方式来选择，其可以对应于端子V3处的信号(总是)低于端子V2的信号。
应注意，图2的信号处理电路10一般可以在其中起始于各种上下文中应用，其中开始于在端子V1、V2和V3处施加的三个输入信号，期望具有由最后所引用的关系给出的平均值的信号Dout。再次，需强调一个或多个实施例不限于在非接触式温度传感器中的可能用途。
利用该条件，图3是图2的电路10在温度传感器100中的可能应用的示例，其中来自热电堆TP的信号Vin被施加到输入端子V3，其中在(放大器)阶段A中施加有增益G。
在如图3所例示的装置中，输入端子V1可以接收信号Vptat，该信号可以是所谓的PTAT(与绝对温度成比例)信号，即随着在传感器TS1中获得的温度的增加而增加的例如电压的信号。
在一个或多个实施例中，这样的传感器可以包括具有不同区域和/或以不同电流偏置的两个双极晶体管(BJT)，使得两个晶体管的相应的基极到发射极电压Vbe之间的差可以是示例性的如具有先前所讨论的特性的信号Vptat。
同样，施加到端子V2的信号可以是以CTAT(与绝对温度互补)的形式的信号Vbe，即随着在传感器TS2中获得的温度的增加而减小的例如电压的信号。这样的传感器可以再次包括双极晶体管(BGT)，这种晶体管的基极到发射极电压Vbe是这种信号的示例。
在一个或多个实施例中，诸如TS1和TS2的传感器可以依赖于以下事实：双极晶体管的基极到发射极电压随着温度的增加而减少，而具有不同区域和/或具有不同偏置电流极化的两个双极晶体管的基极到发射极电压之间的差事实上可以随着温度的增加而增加。
通过替代如先前定义的施加到输入端子V1、V2和V3的对应值的电压：
V1＝M*Vptat(其中，M是以如下这样的方式选择的恒量，使得可以产生对应于Vbe+M*Vptat与具有等于零的一阶温度变化系数的Vref之和的电压Vref)，
V2＝Vbe，
V3＝G*Vin
输出信号Dout的平均值的先前表达可以被表示为
<Dout>＝(G*Vin+M*Vptat)/Vref
如所注意，信号Vref可以被合理地认为是随温度而恒定的，并且因此被以为是简单的恒量。
上文所提及的关系指示出，如图3所例示的装置将产生包括具有平均值的比特流的输出信号，该平均值是信号Vin(该信号Vin可以经由热电堆产生并且因此被指示对象的温度与周围环境温度的差)乘以增益因子G加上指示周围环境温度的信号Vptat之和，信号Vptat可以表示为Sptat*Tamb，其中Tamb是周围环境温度，并且Sptat是恒定成比例因子。
先前的关系可以因此导致Dout的平均值，该平均值可以表示为
<Dout>＝(G*(α*Tobj-Tamb)*S+M*Sptat*Tamb)/Vref
因此，通过选择G＝(M*Sptat)/S，先前的关系转化为
<Dout>＝Tobj*(G*α*S/Vref)。
因此，信号Dout的平均值指示(正比于)对象的温度，其可以例如经由抽取滤波来计算并且显示在显示单元D上。
一个或多个实施例可以比图1中所例示的装置更有优势，只要它们事实上依赖于提供对象温度的单一模数转换电路。
这与图1所示例的装置形成对比，当希望同时感测来自热电堆和温度传感器TS的信号时，其包括两个转换器ADC1和ADC2。
如图2和图3中所示例的装置相对于单一时分多路复用转换器也是有利的，只要在如图2和3所示例的装置中，来自热电堆的信号和来自温度传感器的信号在相同时间(而不是在两个不同的时间)被捕获，从而避免在两个随后的检测(感测)时间之间周围环境温度变化的情况下的误差的风险。
如图2和图3中所示例的一个或多个实施例也可以在区域和电流消耗方面提供优势，只要来自热电堆和温度传感器的信号可以直接组合以提供对象温度，从而避免如先前讨论的与时分复用相关的缺点。
因此一个或多个实施例可以涉及电路(例如10)，包括：
-第一输入端子(例如V1)，第二输入端子(例如V2)，第三输入端子(例如V3)和输出端子(例如Dout)，
-第一求和节点(例如，121)，具有第一输入端子和第三输入端子，该第一输入端子和第三输入端子相加地(具有相同符号，例如加号)耦合到第一求和节点，
-第二求和节点(例如122)，其具有第三输入端子和第二输入端子，该第三输入端子和第二输入端子相减地(具有相反符号，例如加号和减号)耦合到第二求和节点，
-选择器(例如，14)，具有耦合到第一求和节点的第一输入(例如，141)、耦合到第二求和节点的第二输入(例如142)以及可选择性地(例如144)耦合到第一输入或第二输入的输出(例如143)，
-积分器(例如16)，在选择器输出上激活，该积分器在积分器输出(例如162)处具有积分信号，
-比较器(例如18)，该比较器在积分器和输出端之间，该比较器对积分器输出处的积分信号敏感，并且在所述输出端子处提供具有第一电平和第二电平的输出信号，以及
-反馈线(例如182)，该反馈线从输出端子到选择器，其中选择器输出被耦合到相应的第一选择器输入和第二选择器输入，其中所述输出信号在相应地第一电平和第二电平。
在一个或多个实施例中，所述输出信号的第一电平和第二电平可以包括二进制电平“0”和“1”。
在一个或多个实施例中，器件可以包括：
-根据一个或多个实施例的电路，
-第一传感器(例如，TS1)，提供随着周围环境温度增加而增加的信号，被耦合到所述第一输入端子，
-第二传感器(例如，TS2)，提供随着周围环境温度增加而减少的信号，被耦合到所述第二输入端子，
-热电堆(例如TP)，提供指示对象相对于周围环境温度的温度差的信号，该热电堆被耦合到所述第三输入端子，其中所述输出信号的平均值指示所述对象的温度。
在一个或多个实施例中，第一传感器可以包括一对双极晶体管，所述一对双极晶体管针对晶体管区域和晶体管偏置电流中的至少一项是彼此不同的，其中随着周围环境温度增加而增加的信号包括在所述一对双极晶体管中的双极晶体管的基极到发射极电压的差。
在一个或多个实施例中，第二传感器可以包括单一双极晶体管，其中随着周围环境温度增加而减少的信号包括所述单一双极晶体管的基极到发射极电压。
一个或多个实施例可以包括求平均电路块(例如，包括在图3的显示单元D中)以产生所述输出信号的平均值。
在一个或多个实施例中，求平均电路块可以包括在所述输出信号上激活的抽取滤波器。
根据一个或多个实施例的操作电路或器件的方法可以包括：将所述第三输入端子维持在低于所述第二输入端子处的(电压)信号的(电压)电平处，其中所述输出信号的平均值位于0和1之间。
根据一个或多个实施例的设备(例如，非接触式温度计)可以包括：
-根据一个或多个实施例的器件，
-温度显示单元(例如，D)，被耦合到所述器件，该温度显示单元被配置成显示所述输出信号的平均值。
在不违背基本原理的情况下，细节和实施例可以相对于仅仅通过示例描述的内容而甚至显著变化，而不背离保护的范围。保护的范围由所附权利要求限定。

Claims (17)

1.一种用于信号处理的电路，包括：
第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子和输出端子，
第一求和节点，被配置成将来自所述第一输入端子和所述第三输入端子的信号相加性地组合，
第二求和节点，被配置成将来自所述第三输入端子和所述第二输入端子的信号相减性地组合，
选择器，具有被耦合到所述第一求和节点的输出的第一输入、耦合到所述第二求和节点的输出的第二输入、以及响应于选择信号而选择性地耦合到所述第一输入或所述第二输入的输出，
积分器，被配置成对来自所述选择器的输出的信号输出进行积分以在积分器输出处生成积分信号，
比较器，被配置成将所述积分信号与阈值进行比较并且在所述输出端子处生成具有第一电平和第二电平的输出信号，以及
反馈线，将所述输出信号作为所述选择信号耦合到所述选择器，使得所述选择器响应于所述输出信号的所述第一电平而选择性地耦合到所述第一输入，并且响应于所述输出信号的所述第二电平而选择性地耦合到所述第二输入。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述输出信号的所述第一电平和所述第二电平是二进制电平。
3.根据权利要求2所述的电路，还包括被配置成产生所述输出信号的所述二进制电平的平均值的求平均电路。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述求平均电路包括被配置成过滤所述输出信号的抽取滤波器。
5.根据权利要求3所述的电路，还包括被配置成显示所述平均值的显示器。
6.根据权利要求1所述的电路，还包括：
成比例于绝对温度PTAT传感器，被配置成在所述第一输入端子处生成PTAT信号；
互补于绝对温度CTAT传感器，被配置成在所述第二输入端子处生成CTAT信号；以及
热电堆，被配置成在所述第三输入端子处生成温度差信号。
7.根据权利要求6所述的电路，其中，所述输出信号的平均值指示由所述热电堆感测的对象的温度。
8.根据权利要求7所述的电路，还包括被配置成产生所述平均值的求平均电路。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述求平均电路包括被配置成过滤所述输出信号的抽取滤波器。
10.根据权利要求6所述的电路，其中，所述PTAT传感器包括一对双极晶体管，所述一对双极晶体管针对晶体管区域和晶体管偏置电流中的至少一项是彼此不同的，其中，所述PTAT信号包括所述一对双极晶体管中的所述双极晶体管的基极到发射极电压的差。
11.根据权利要求6所述的电路，其中，所述CTAT传感器包括单一双极晶体管，其中，所述CTAT信号包括所述单一双极晶体管的基极到发射极电压。
12.根据权利要求6所述的电路，还包括被配置成产生所述输出信号的平均值的求平均电路。
13.根据权利要求12所述的电路，其中，所述求平均电路包括被配置成过滤所述输出信号的抽取滤波器。
14.根据权利要求1所述的电路，还包括：
第一传感器，在所述第一输入端子处提供随着第一感测状况的增加而增加的信号；
第二传感器，在所述第二输入端子处提供随着所述第一感测状况的增加而减小的信号，
第三传感器，在所述第三输入端子处提供指示第二感测状况与所述第一感测状况之间的差异的信号。
15.根据权利要求14所述的电路，其中，所述第一感测状况是周围环境温度，并且所述第二感测状况是对象的温度，其中，所述输出信号的平均值指示所述对象的所述温度。
16.根据权利要求14所述的电路，还包括被配置成产生所述输出信号的平均值的求平均电路。
17.根据权利要求16所述的电路，其中，所述求平均电路块包括被配置成过滤所述输出信号的抽取滤波器。
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