CN109073478B - 换能器测量 - Google Patents

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Abstract

诸如跨导线性与绝对温度成正比传感器之类的换能器使用两个放大器，其中每个放大器都被用于各种模式。第一放大器在模拟电路中通过反馈生成测量电压。第二放大器采样以及以开关电容器模式对测量进行积分，并且输出被存储在电容器上。然后第一放大器被设置以测量其偏移。偏移被第二放大器采样和积分，并且输出被存储在第二电容器上。然后第一和第二放大器被设置以缓冲存储在电容器上的电压。测量可然后通过数字或模拟手段被偏移调整。经调整的测量然后可用于校准例如图像传感器。诸如压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、和xyz定位传感器之类的其他换能器可采用相同的双放大器方式。

Description

换能器测量
背景
诸如温度传感器、压力传感器和应变传感器的换能器可包括放大器或与放大器配对。此类换能器包括差分温度传感器，诸如与绝对温度成正比(PTAT)电路和跨导线性PTAT电路。
概述
诸如跨导线性与绝对温度成正比(PTAT)传感器之类的换能器使用两个放大器，其中每个放大器都被用于各种模式。第一放大器在模拟电路中通过反馈生成测量电压。第二放大器采样以及；以开关电容器模式对测量进行积分，并且输出被存储在电容器上。然后第一放大器被设置以测量其偏移。偏移被第二放大器采样和积分，并且输出被存储在第二电容器上。然后第一和第二放大器被设置以缓冲存储在电容器上的电压。测量可然后通过数字或模拟手段被偏移调整。经调整的测量然后可用于校准例如诸如飞行时间深度相机传感器之类的图像传感器。诸如非跨导线性差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、和xyz定位传感器之类的其他换能器可采用相同的双放大器方式。
在示例性实施例中，PTAT利用在两个二元结晶体管(BJT)电流之间具有缩放因子K的两个电流源，因此将一个源设置为电流I而将另一个源设置为电流K*I。此实现中不存在电阻器，而差分放大器被用于反馈环路中以驱动M倍缩放BJT的基极电压，并在其输出处生成PTAT电压。依靠缩放比率和可编程增益而不是精密的电阻匹配提供更准确的PTAT系统，该系统对处理灵敏度和失配具有鲁棒性。该架构还通过消除输入参考的放大器偏移，在宽温度范围内保持输出的线性。
可通过迭代开关电容器放大操作来实现可编程增益。放大器的重复使用允许采样和消除由放大器偏移引起的误差。这允许系统在很大的温度范围内保持线性。重复使用诸如放大器之类的组件执行各种操作可在节省面积和功率的同时保持性能。用于可编程增益、误差消除和组件重复使用的技术可被应用于其他换能器类型，诸如非跨导线性差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、和xyz定位传感器。
提供本概述以便以简化的形式介绍将在以下的详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中提及的任何或所有缺点的限制。
附图简述
图1是具有与绝对温度成正比(PTAT)模拟参考生成器的电路的示意图。
图2是示例跨导线性温度传感器级的示意图，包括具有多种操作模式的放大器，其中开关被设置为进行温度测量。
图3是示例开关电容器增益级的示意图，包括具有多种操作模式的放大器，其中开关被设置为清除增益级。
图4是图3的增益级的采样、积分和保持操作模式的时序图。
图5是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为采样来自传感器级的输入。
图6是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为积分经采样的输入信号。
图7是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为将温度测量读数保持在电容器C3上。
图8是图2的传感器级的示意图，其中开关被设置为测量传感器级的偏移。
图9是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为将偏移读数保持在电容器C4上。
图10是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为缓冲温度测量读数。
图11是图2的传感器级的示意图，其中开关被设置为对温度测量读数进行偏移。
图12是传感器和增益级的操作的流程图，其中开关被设置为缓冲偏移测量读数。
图13示出了温度传感器级的输出及其线性。
图14示出了差分输出的组件，包括温度测量和偏移测量输出(两者都在增益级之后)、以及经结合的差分输出。
图15示出了经偏移调整的输出及其线性。
图16示出了模拟过程和操作条件变化的最终输出及其线性。
图17示出了包括换能器和放大器、以及由换能器测量校准的传感器的系统。
详细描述
诸如与绝对温度成正比传感器之类的换能器使用两个放大器，其中每个放大器都被用于各种模式。首先，第一放大器在模拟电路中通过反馈生成依赖于温度的测量电压。接着，第二放大器采样测量以及以开关电容器模式对测量进行积分，并且输出被存储在电容器上。然后，第一放大器被设置以测量其偏移。偏移被第二放大器采样和积分，并且输出被存储在第二电容器上。然后，第一和第二放大器被设置以缓冲存储在电容器上的电压。测量可然后通过数字或模拟手段被偏移调整。经调整的测量然后可被用于校准例如图像传感器。例如，图像传感器可以是彩色相机的一部分，其中热校准在捕捉真实颜色中是有用的。替换地，图像传感器可以是深度相机系统的一部分，诸如在视频游戏系统中在确定玩家的位置和移动方面有用的飞行时间深度相机，其中热校准在作出对玩家位置和移动更准确的评估方面是有用的。
模拟传感器电路是与绝对温度成正比(PTAT)电路，其包括两个缩放的BJT晶体管、两个缩放的电流源、以及用于反馈环路的第一放大器。放大器的差分输入被连接到BJT的发射极。第一放大器的输出驱动一个BJT的基极电压，并在其输出端生成PTAT电压。与许多其他PTAT电路不同，由于不存在电阻器，而因此不需要高电阻值或闭合电阻值匹配。依靠缩放比率而不是精密的电阻匹配提供更准确的PTAT系统，该系统对处理灵敏度和失配具有鲁棒性。
PTAT电压由作为具有比率度量增益的开关电容器放大器操作的第二放大器放大。可通过设置开关电容器样本和积分阶段的迭代次数来编程增益。
两个放大器都可被重复使用，首先进行偏移读取，并然后缓冲温度测量和偏移读数。放大器的重复使用不仅提供了经减小的集成电路面积和功率节省的经济性，而且还提供了自消除操作，由此输出基本上不受偏置电压值的变化或任一放大器的偏移的影响。这在宽温度变化下提供了非常高的系统线性，其进而减少了系统校准的需要。
用于可编程增益、误差消除和组件重复使用的技术可被应用于其他换能器类型，诸如非跨导线性差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、或xyz定位传感器。
图1是具有模拟参考生成器的与绝对温度成正比(PTAT)电路100的示意图。两个缩放双极结型晶体管(BJT)Q100和Q102(其中Q102比Q100大M倍)为输出电流分量提供正或负温度系数。Q100的发射极端子被连接到放大器U102的负输入。Q102的发射极端子通过电阻R100被连接到放大器的正输入。放大器U102的输出被馈送到各MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)M100、M102和M104的栅极以生成具有温度系数的电流。各MOSFET M100、M102和M104的源极被连接到正电源电压。MOSFET 100的漏极馈送BJT Q100的发射极。MOSFET102的漏极通过电阻器R100馈送BJT Q102的发射极。MOSFET 104的漏极馈送另一电阻器R102，以提供输出电压V100，其中R102的另一端被接地。通过连接M100、M102和M104的栅极，通过BJT的参考电流通过电阻器R102被转换为依赖于温度的电压V100。可例如在数字化之前执行对电压V100的进一步放大。
图1的PTAT拓扑结构具有低增益并需要较大的电阻器值和精密匹配以降低过程灵敏度。此外，因为由PTAT核生成的电压是单端的，所以任何后续放大器都可能降级系统的线性、降低噪声抗扰度、并损害系统灵敏度。即使在中等温度范围内，这也可能导致测得温度的不可预测性。而且，用于在图1的反馈配置中生成ΔVBE的放大器U102遭受U102的输入参考偏移，其转换为依赖于温度的输出中的不确定性。
图2是采用跨导线性温度传感器级200的形式的示例换能器的示意图。Q1和Q2是大小可能不同的NPN BJT晶体管，其中Q2相对于Q1缩放了因子M。Q1和Q2的集电极被连接到正电源电压VDD。Q2的发射极被连接到电流源Iref。Q1的发射极被连接到经缩放的电流源KIref，其中K是相对于Iref的因子。发射极进一步通过开关S22和S24被连接到运算放大器(op-amp)U1的负输入和正输入。运算放大器U1可例如以折叠式共源共栅配置实现。运算放大器U1的输出经由采用负反馈配置的开关S20连接到晶体管Q2的基极。Q1的基极被连接到外部电压Vbias(V偏置)。运算放大器U1的输入参考偏移在图2中被描绘为VOS1。
在图2中，开关S20、S22和S24被示为是闭合的。在此配置中，传感器级200被用于生成与温度成比的电压Vstage1(V级1)。开关S26、S28和S30被用于将传感器级200设置为其他操作模式。在S20、S22和S24断开的情况下，可闭合开关30以将运算放大器U1置于单一增益模式。可然后闭合开关26或开关28以将Vbias或VOF_sample连接到运算放大器U1的正输入，使得传感器级200的运算放大器U1可用于缓冲这些电压。
在开关S20、S22和S24闭合而开关S26、S28和S30断开的情况下，如图2所示，传感器级200处于温度测量模式。以此模式，通过BJT Q1和Q2的电流由公式1和2依据参考电流Iref、电流缩放因子K、和BJT缩放因子M给出，其中IS是基极电流而VT是热电压。热电压VT＝kT/q，其中k是Boltzmann(玻尔兹曼)常数、q是电子的电荷、而T是温度。
公式1：
Figure BDA0001828926690000051
公式2：
Figure BDA0001828926690000052
公式(1)和(2)可依据晶体管Q1和Q2的基极发射极电压被重写为公式3和4。
公式3：
Figure BDA0001828926690000053
公式4：
Figure BDA0001828926690000054
由于运算放大器U1被设计为具有非常高的增益，因此Ve1＝Ve2。因此，运算放大器U1的输出电压Vstage1由公式5给出：
公式5：
Vstage1＝Ve2+Vbe2＝Ve1+Vos1+Vbe2
→Vstage1＝Vbias-Vbe1+Vos1+Vbe2
→Vstage1＝Vbias+Vos1+Vbe2-Vbe1
然后，在公式6中给出两个晶体管Q1和Q2的基极发射极电压的差值ΔVBE，其中kT/q是热电压VT：
公式6：
Figure BDA0001828926690000061
将(6)代入(5)，运算放大器U1的输出Vstage1可依据依赖于温度的电压和偏移项被表示为公式7：
公式7：
Figure BDA0001828926690000062
在公式7中，运算放大器U1的输出具有依赖于温度的过程不变电压，该电压由NPN器件Q1和Q2的缩放比率M、电流源Iref和KIref、Boltzmann常数k、以及电子q的电荷来确定。输出电压还具有由Q1的偏置电压和运算放大器的偏移确定的偏移项。
图3是开关电容器增益级300的示意图，其可用于放大图2的传感器级200的输出Vstage1。Vstage1输入被连接到图2的Vstage1输出。
在图3中，存在第二高增益运算放大器U2。运算放大器U2还可被实现为例如类似于运算放大器U1的折叠式共源共栅配置运算放大器。运算放大器U2被描绘为具有输入参考偏移VOS2。电容器C1和C2被用作电压放大的比率度量放大项。电容器C3被用于采样并保持经放大的温度传感器电压VTS_sample。电容器C4被用于采样并保持经放大的偏移电压VOF_sample。Vcm0是用于重置增益级300的外部施加的共模电压。Vbias是也被施加到例如图2中的BJT Q1的基极的同样的电压。
图3中的开关被用于设置增益级300的操作模式。在采样阶段期间，采样开关S1被用于将输入Vstage1采样到采样电容器C1上。在积分阶段期间，积分开关S2将采样电容器C1连接到运算放大器U2的输入负差分输入。保持开关S3被用于将运算放大器U2输出电压Vout连接到保持电容器C3以获得传感器读数。保持开关S6被用于将输出电压Vout连接到保持电容器C4以获得偏移读数。开关S4和S5被用于通过复位向运算放大器U1的输入和跨C2的电压来清除积分器。在采样、积分和保持模式期间，开关14将Vbias连接到运算放大器U2的正差分输入。单位增益开关S12将运算放大器U2设置为单位缓冲模式。开关S10将保持电容器C3连接到运算放大器U1的正差分输入以获得缓冲。
图3示出了处于清除模式的增益级300，其中开关S4、S5和S14闭合。其余的开关是断开的。这为采样、积分和保持操作设置了初始条件。
图4是增益级300的操作的示例时序图。首先实施采样相
Figure BDA0001828926690000071
接着实施积分相
Figure BDA0001828926690000072
相
Figure BDA0001828926690000073
和
Figure BDA0001828926690000074
可被重复N次以增加运算放大器U2输出电压Vout。在积分周期结束时，在thold(t保持)处，输出电压Vout被连接到保持电容器中的一者，C3或C4。
图5示出了增益级300，其中开关被设置用于输入采样。如图5所示，清除开关S4和S5断开，而采样开关S1闭合，例如，由图4的控制信号
Figure BDA0001828926690000075
信号设置。在图5中，输入电压Vstage1现在被连接到采样电容器C1。电容器C1和C2上的电荷由公式8A和8B给出，其中Vout0是运算放大器U1输出端的初始电压，其在清除模式期间已经被设置为Vcm0。
公式8A：
QC1＝Vstage1C1
公式8B：
QC2＝(Vbias+Vos2-VoutO)C2
图6示出了增益级300，其中开关被设置用于积分操作。如图6所示，采样开关S1断开而积分开关S2闭合，例如通过图4的控制信号
Figure BDA0001828926690000076
在图6中，C1上的经采样的电压Vstage1被比率度量地放大C2。在该周期结束时C1和C2上的电荷由公式9A和9B给出，其中Vout1是运算放大器U1输出Vout的新值。
公式9A：
QC1＝(Vbias+Vos2)C1
公式9B：
QC2＝(Vbias+Vos2-Vout1)C2
由于采样相和积分相之间的总电荷是守恒的，因此C2上的电荷也可被写为公式10：
公式10：
QC2＝(Vbias+Vos2-Vout0)C2+(Vstage1-Vbias-Vos2)C1
在积分结束时的输出电压由公式11给出：
公式11：
Figure BDA0001828926690000081
可使用非重叠开关控制(例如，图4的信号
Figure BDA0001828926690000087
和
Figure BDA0001828926690000088
)对采样-积分操作重复N个周期以控制增益级300的开关S1和S2。在第N个周期结束时的输出电压由公式12给出：
公式12：
Figure BDA0001828926690000082
N是可编程的并且设置增益级300的总增益。
图7示出了增益级300，其中开关被设置用于温度测量输出保持。开关S1和S2是断开的。保持开关S3例如通过图4的控制信号thold被闭合。在保持周期结束时跨C3的电压由公式13给出：
公式13：
Figure BDA0001828926690000083
由于这是正被放大的温度传感器的输出，所以可用公式7代替Vstage1来确定C3上经放大的依赖于温度的电压，如公式14所给出的，其中Vhold(跨C3的电压)现在被称为VTS_Sample。
公式14：
Figure BDA0001828926690000084
公式14包含来自温度传感器的依赖于温度的项，其被放大因子
Figure BDA0001828926690000085
其中N是采样-积分周期的数量。值得注意的是，Vbias不存在于公式中。因此，对Vbias的值没有严格的要求。
运算放大器U1和U2的偏移也被放大因子
Figure BDA0001828926690000086
除非经过校正，否则可能导致不准确的、依赖于过程的温度读数。为了消除两个运算放大器与最终输出的偏移，可采用仅偏移的采样周期，其中仅仅偏移电压Vos1和Vos2被测得。这可通过调节传感器级200和增益级300的开关设置来实现。
图8示出了被配置用于偏移测量的图2的传感器级200。开关S20、S22和S24被断开以将运算放大器U1与晶体管Q1和Q2以及电流源Iref和KIref断开。偏置开关S26被闭合以将U1的正差分输入连接到Vbias。反馈开关S30被闭合以将运算放大器U1设置为单一增益模式。在图8的配置中，运算放大器U1的输出电压由公式15给出：
公式15：
Vstage1＝Vbias+Vos1
参考图3-6，公式15中的电压VStage1可然后被馈送到增益级300、被采样并然后被积分，例如N+1次。图9示出了设置为保持偏移测量的增益级300。仅保持开关S6被闭合，从而将输出电压Vout连接到保持电容器C4。从增益级300的第N+1个周期得到的该电压被称为VOF_Sample，并且仅包含运算放大器和初始条件电压两者的经放大的偏移，如公式16所给出的：
公式16：
Figure BDA0001828926690000091
此时，电压VTS_SAMPLE和VOF_SAMPLE两者分别被存储在电容器C3和C4上。通过在单位增益反馈配置中重新使用运算放大器U1和U2来缓冲VTS_SAMPLE和VOF_SAMPLE，可导出温度传感器系统的偏移消除的差分输出电压。
图10示出了增益级300，其中开关被设置用于温度测量缓冲。反馈开关S12被闭合以将运算放大器U2设置为单一增益模式。输入开关S10被闭合以将C3连接到运算放大器U2的正差分输入。在此配置中，运算放大器U2输出电压Vout＝VIP，如公式17A所给出的：
公式17A：
Figure BDA0001828926690000092
图11示出了传感器级200，其中开关被设置用于偏移测量缓冲。如图8所示，在图11中，开关S20、S22和S24断开以将运算放大器U1与晶体管和电流源断开，并且反馈开关S30被闭合以将运算放大器U1设置为单一增益模式。输入开关S28被闭合以将VOF_sample连接到运算放大器U1的正差分输入。例如，在图9和10中，VOF_sample是C4上的电压。在图11的配置中，运算放大器U1输出电压Vstage1＝VIN由公式17B给出：
公式17B：
Figure BDA0001828926690000101
通过从VIP中减去VIN来获得差分电压，如公式18所给出的。这可例如通过在模数转换器(ADC)处数字化VIN和VIP，并数字化地执行减法来实现。
公式18：
Figure BDA0001828926690000102
通过将增益级300中的C1和C2的大小调整为相同，公式18中的偏移项消除。我们现在留下了与运算放大器偏移无关的最终差分输出电压VTS_SYSTEM。
公式19：
Figure BDA0001828926690000103
公式19中的差分电压VTS_SYSTEM仅表现出温度相关性。VTS_SYSTEM被放大N(在增益级300中运行的积分周期的数量)倍，以放大传感器级200的输出。VTS_SYSTEM不依赖于电容器C2上的初始条件。
图12是实现本文描述的测量阶段的示例状态机的流程图。在步骤1200中，通过接通清除开关来实现零相。在步骤1202中，清除开关被断开。在步骤1204中，系统检查是否需要偏移模式的周期。如果是，则该方法在步骤1206继续设置偏移模式。在步骤1208中，为运算放大器U1的偏移测量设置开关，然后进行采样，并开始积分。在步骤1210中，积分迭代的数量被完成。如果否，则重复积分。在步骤1212中，在偏移保持电容器C4上接通积分的输出。在步骤1214中，系统然后检查是否是实施温度采样周期的时间。
如果是，则该方法在步骤1256移动以设置TS模式。在步骤1258中，为图2中所示的温度感测配置设置开关，然后进行采样，并开始积分。在步骤1260中，该方法检查是否积分迭代的数量被完成。如果否，则重复积分。在步骤1262中，在温度保持电容器C3上接通积分的输出。在步骤1264中，系统然后检查是否是实施偏移校准的时间。
一旦可分别在C3和C4上获得VTS_SAMPLE和VOF_SAMPLE两者，该方法就前进到步骤1290。系统校正差分输出上的两个运算放大器的输入参考偏移。在步骤1292中，公式19中的差分输出电压已准备好例如通过模拟多路复用器被读出或被呈现给ADC以将结果数字化。
将理解，本文描述的结构和技术可被应用于其他类型的换能器。例如，可通过用其他模拟组件代替图2中的Q1、Q2、KIref和Iref的置换来形成包括非跨导线性差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、或xyz定位传感器的系统。为此，可如参考图2、8、11和12所描述的那样将开关S20、S22、S24、S26、S28和S30操纵到例如本文所描述的各种换能器测量、偏移测量和缓冲模式。
如本文所描述的传感器级200和增益级300已被模拟为采用TSMC 65nm LP CMOS工艺制造。图13-16是示例电路的模拟性能的图。
位于图13顶部的是处于温度测量模式的传感器级200的示例输出。纵轴是电压，而横轴是温度。输出在0℃至120℃的温度范围的范围内基本保持其线性。位于图13底部的是使用相同水平轴的输出的线性。纵轴是输出随每度温度的变化。
位于图14顶部的是由增益级300产生的温度测量VTS_Sample和偏移测量VOS_Sample电压的示例。纵轴是电压，而横轴是温度。位于图14底部的是系统VTS_SYSTEM的差分输出的示例，再次纵轴为电压而横轴为温度。此底部曲线是模数转换器(ADC)的差分输入的示例，再次纵轴为电压而横轴为温度。
位于图15顶部的还是系统VTS_SYSTEM的差分输出的示例，再次示出纵轴为电压而横轴为温度。位于图15底部的是VTS_SYSTEM的线性。再次，系统在很大的温度范围内保持线性。
图16示出了温度传感器在各种工艺和操作条件下的性能。位于图16顶部的是VTS_SYSTEM在各种条件下的叠覆曲线。位于图16底部的是VTS_SYSTEM在各种条件下的线性的叠覆曲线。在所有情况下，差分输出值彼此略微漂移，其中最大误差为±1mV。在每个运算放大器的输入参考偏移为±10mV的情况下，差分输出的最大变化被模拟为260μV。与图1的配置相比，这表示系统偏移电压方面预期40倍的减少。
对温度传感器系统进行蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟，结果导致在差分输出的斜率上1σ变化为1.54μV/℃。为了使这个数字适用于生产系统，在5σ精度的情况下，12比特ADC每33℃将漂移1LSB。
该温度传感器系统因此对各种过程、环境和偏移条件都具有高精度。该系统在很宽的温度范围内保持高线性，使得其适用于要求精密温度读数和灵敏度的各种应用。
本文描述的结构和技术可以以多种方式结合以执行换能器和偏移测量。例如，换能器和偏移测量可通过对第一放大器的第一输出进行第一采样来导出；其中第一放大器被设置为测量反馈模式，以创建测量样本，然后使用第二放大器对测量样本进行积分，其中第二放大器被设置为开关电容器模式，以创建测量输出电压，并将测量输出电压保持在第一保持电容器上。然后可对第一放大器的第二输出进行采样，其中第一放大器被设置为第一缓冲模式，以创建偏移样本，然后使用处于开关电容器模式的第二放大器对偏移样本进行积分以创建偏移输出电压，并然后将偏移输出电压保持在第二保持电容器上。最后，可使用第二放大器缓冲第一保持电容器上的测量输出电压，其中第二放大器被设置为第二缓冲模式，以创建最终缓冲的测量电压，并且可使用第一放大器缓冲第二保持电容器上的偏移输出，其中第一放大器被设置处于第三缓冲模式，以创建最终缓冲的偏移电压。
可通过以开关电容器模式迭代第二放大器的积分来放大测量样本或偏移样本来增强该技术。在第二放大器具有包括正输入和负输入的差分输入的情况下也可改进该技术，其中第二放大器被设置为开关电容器模式，正输入被连接到参考电压，负输入被连接到采样电容器，且第二放大器的输出通过积分电容器被连接到负输入，并且其中采样电容器和积分电容器具有相同的值。
这些技术可被用于使用换能器电路导出测量样本，其中换能器电路包括处于测量反馈模式的第一放大器。换能器可以是跨导线性PTAT，诸如参考图2所描述的。换能器还可以用许多其他形式的传感器实现，诸如包括与绝对温度成正比传感器的差分温度传感器、以及压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计和xyz定位传感器。
该技术可进一步包括从最终缓冲的测量输出电压中减去最终缓冲的偏移输出电压，以导出经偏移调整的测量输出。减法可通过模拟或数字手段来实现。
换能器测量、偏移测量、和经偏移调整的测量输出可被用于校准任何类型的温度敏感装备。此类装备可包括图像传感器，包括例如诸如飞行时间相机之类的深度测距成像仪。
本文描述的结构和技术可以以多种方式结合以创建换能器测量设备。图17例示了示例系统1700，其包括传感器级1710、增益级1720、输出放大器U3、数字状态机M1、模拟-数字转换器AD1和传感器X2。传感器级1710可以是如参考图2、8和11所描述的PTAT传感器级。传感器级1710包括差分换能器X1、开关和无源组件网络N1、以及第一放大器U1。网络N1的操作由来自数字状态机M1的信号1711控制。数字状态机M1可包括微处理器、微控制器、现场可编程逻辑器件或者如上所述实现放大器模式开关控制的其他数字电路，或例如参考图2、3和5-12所描述的实现放大器模式开关控制的其他数字电路。
传感器级1710的输出Vstage1馈入增益级1720。可如参考图3、5、6、7、9和10所描述的那样配置增益级1720。它包含开关和无源组件网络N2和第二放大器U2。网络N2的操作由来自数字状态机M1的信号1721控制，如例如参考图2、3和5-12所描述的。
经由网络N1和N2的操作，数字状态机M1导致与换能器X1的输出成正比的输出以及导致U1和U2的偏移可用于其他设备。可使用第三差分放大器U3通过模拟手段从换能器测量中减去偏移值，尽管存在由于放大器U3的偏移引入误差的风险。替换地，可直接使用由经缓冲的偏移测量和经缓冲的换能器测量组成的差分输出来校准诸如图像传感器之类的传感器。
来自放大器U3的输出、经偏移调整的电压Voa可然后被用于校准传感器X2。例如，传感器X2可以是飞行时间深度相机，其输出可随温度变化。换能器X1可以是例如跨导线性PTAT之类的温度传感器。针对测量系统Voa的偏移而调整的温度测量可被用于根据测得的温度调整传感器X2的输出。
替换地，传感器级1710和增益级1720的最终换能器和偏移测量输出可由模数转换器AD1在数字状态机M1指定的时间被数字化。然后可经由数字状态机M1通过数字减法来实现对经偏移调整的换能器测量的确定。数字状态机M1可附加地基于换能器X1的经数字化的经偏移调整的测量来执行对传感器X2的输出的调整。
为了经济和环境条件的匹配，整体地制造系统1700的所有组件可能是有利的。例如，在换能器X1是温度传感器，而传感器X2是图像传感器的情况下，在相同的基板上具有这两个设备有助于确保由换能器X1测得的温度是图像传感器X2所经历的温度。
例如，测量系统可包括两个放大器，其中每个放大器都具有多个可配置模式。第一放大器的模式可包括测量反馈模式、偏移采样模式和偏移缓冲模式。第二放大器的模式可包括输入采样模式、积分模式、测量输出保持模式、偏移输出保持模式和测量缓冲模式。
数字状态机可被配置为以受控顺序操纵第一和第二放大器的模式。第一序列可包括将第一放大器设置为测量反馈模式，然后依次将第二放大器设置为输入采样模式、积分模式、和测量输出保持模式。第二序列可包括将第一放大器设置为偏移采样模式，然后依次将第二放大器设置为输入采样模式、积分模式、和偏移输出保持模式。第三序列可包括将第一放大器设置为偏移缓冲模式并将第二放大器设置为测量缓冲模式。
可通过以第一和第二序列迭代第二放大器的采样和积分模式以实现开关电容器放大来改进系统。
在第二放大器具有包括正输入和负输入的差分输入的情况下也可改进该系统，其中第二放大器被设置为开关电容器模式，正输入被连接到参考电压，负输入被连接到采样电容器，且第二放大器的输出通过积分电容器被连接到负输入，其中采样电容器和积分电容器具有相同的值。
该系统可包括换能器电路，其中换能器电路包括处于测量反馈模式的第一放大器。换能器电路可以是差分温度传感器，诸如与绝对温度成正比传感器。换能器可以是跨导线性PTAT，诸如参考图2所描述的。换能器电路还可以是非跨导线性差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计或xyz定位传感器。
该系统还可包括第三放大器，其中第三放大器被配置为在第三序列期间从第二放大器的输出中减去第一放大器的输出。类似地，第三序列可包括触发第一和第二放大器的输出电压的数字化以及电压的数字减法。换能器测量、偏移测量、和经偏移调整的测量输出可被用于校准任何类型的温度敏感装备。此类装备可包括图像传感器，包括例如诸如飞行时间相机之类的深度测距成像仪。

Claims (20)

1.一种导出换能器测量和偏移测量的方法，包括：
采样第一放大器的第一输出，其中所述第一放大器被设置为测量反馈模式，以创建测量样本；
使用第二放大器积分所述测量样本，其中所述第二放大器被设置为开关电容器模式，以创建测量输出电压；
将所述测量输出电压保持在第一保持电容器上；
采样所述第一放大器的第二输出，其中所述第一放大器被设置为第一缓冲模式，以创建偏移样本；
以所述开关电容器模式使用所述第二放大器积分所述偏移样本以创建偏移输出电压；
将所述偏移输出电压保持在第二保持电容器上；
使用所述第二放大器缓冲所述第一保持电容器上的所述测量输出电压，其中所述第二放大器被设置为第二缓冲模式，以创建最终缓冲的测量电压；以及
使用所述第一放大器缓冲所述第二保持电容器上的所述偏移输出电压，其中所述第一放大器被设置为第三缓冲模式，以创建最终缓冲的偏移电压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括经由数字状态机设置所述第一放大器和所述第二放大器的模式，其中所述数字状态机包括数字逻辑电路、微处理器、微控制器或现场可编程逻辑器件。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括通过以所述开关电容器模式迭代所述第二放大器的所述积分来放大所述测量样本或所述偏移样本。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二放大器包括差分输入，所述差分输入包括正输入和负输入，并且当所述第二放大器设置为开关电容器模式时，所述正输入被连接到参考电压，所述负输入被连接到采样电容器，且所述第二放大器的输出通过积分电容器被连接到负输入，其中所述采样电容器和积分电容器具有相同的值。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括使用换能器电路导出所述测量样本，其中所述换能器电路包括处于所述测量反馈模式的所述第一放大器。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述换能器电路是差分温度传感器、与绝对温度成正比传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、或xyz定位传感器。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
数字化所述最终缓冲的偏移电压和所述最终缓冲的测量电压；以及
从经数字化的最终缓冲的测量电压中减去经数字化的最终缓冲的偏移电压，以导出经偏移调整的测量输出。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括使用所述经偏移调整的测量输出来校准图像传感器的操作。
9.一种测量系统，包括：
具有可配置模式的第一放大器，所述第一放大器的所述模式包括：
测量反馈模式，
偏移采样模式，以及
偏移缓冲模式；
具有可配置模式的第二放大器，所述第二放大器的所述模式包括：
输入采样模式，
积分模式，
测量输出保持模式，
偏移输出保持模式，
测量缓冲模式，
开关电容器模式；以及
数字状态机，所述数字状态机被配置为以受控序列操纵所述第一放大器和第二放大器的所述模式，所述序列包括：
第一序列，所述第一序列包括将所述第一放大器设置为所述测量反馈模式，然后将所述第二放大器设置为所述输入采样模式、所述积分模式、和所述测量输出保持模式；
第二序列，所述第二序列包括将所述第一放大器设置为所述偏移采样模式，然后将所述第二放大器设置为所述输入采样模式、所述积分模式和所述偏移输出保持模式；以及
第三序列，所述第三序列包括将所述第一放大器设置为所述偏移缓冲模式并将所述第二放大器设置为所述测量缓冲模式。
10.如权利要求9所述的测量系统，其特征在于，所述数字状态机包括数字逻辑电路、微处理器、微控制器、或现场可编程逻辑器件。
11.如权利要求9所述的测量系统，其特征在于，所述第一序列和第二序列包括迭代所述第二放大器的所述采样和积分模式以实现开关电容器放大。
12.如权利要求9所述的测量系统，其特征在于，所述第二放大器包括差分输入，所述差分输入包括正输入和负输入，并且当所述第二放大器设置为开关电容器模式时，所述正输入被连接到参考电压，所述负输入被连接到采样电容器，且所述第二放大器的输出通过积分电容器被连接到负输入，其中所述采样电容器和积分电容器具有相同的值。
13.如权利要求9所述的测量系统，其特征在于，进一步包括换能器电路，其中所述换能器电路包括处于所述测量反馈模式的所述第一放大器。
14.如权利要求13所述的测量系统，其特征在于，所述换能器电路是与绝对温度成正比传感器、差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、或xyz定位传感器。
15.如权利要求9所述的测量系统，其特征在于，进一步包括模数转换器，其中所述模数转换器被配置为在所述第三序列期间分别数字化所述第一放大器的输出和所述第二放大器的输出。
16.如权利要求15所述的测量系统，其特征在于，进一步包括图像传感器，其中所述第一放大器的经数字化的输出和所述第二放大器的所述输出被用于校准所述图像传感器的操作。
17.一种深度相机系统，包括：
图像传感器；
数字状态机，所述数字状态机包括数字逻辑电路、微处理器、微控制器或现场可编程逻辑器件；
模数转换器；
具有可配置模式的第一放大器和具有可配置模式的第二放大器；以及
温度传感器，所述温度传感器包括跨导线性与绝对温度成正比传感器电路；
其中所述第一放大器的所述模式包括
测量反馈模式，
偏移采样模式，以及
偏移缓冲模式；
其中所述第二放大器的所述模式包括
输入采样模式，
积分模式，
测量输出保持模式，
偏移输出保持模式，
测量缓冲模式，
开关电容器模式；以及
其中所述数字状态机被配置为以受控序列操纵所述第一放大器和第二放大器的所述模式，所述序列包括：
第一序列，所述第一序列包括将所述第一放大器设置为所述测量反馈模式，然后将所述第二放大器设置为所述输入采样模式、所述积分模式、和所述测量输出保持模式；
第二序列，所述第二序列包括将所述第一放大器设置为所述偏移采样模式，然后将所述第二放大器设置为所述输入采样模式、所述积分模式和所述偏移输出保持模式；以及
第三序列，所述第三序列包括将所述第一放大器设置为所述偏移缓冲模式，将第二放大器设置为所述测量缓冲模式，数字化所述缓冲的偏移和缓冲的测量，以及使用所述经数字化的缓冲的偏移和测量来校准所述图像传感器的读数。
18.如权利要求17所述的深度相机系统，其特征在于，进一步包括换能器电路，所述换能器电路包括处于所述测量反馈模式的所述第一放大器。
19.如权利要求18所述的深度相机系统，其特征在于，所述第二放大器包括差分输入，所述差分输入包括正输入和负输入，并且当所述第二放大器设置为开关电容器模式时，所述正输入被连接到参考电压，所述负输入被连接到采样电容器，且所述第二放大器的输出通过积分电容器被连接到负输入，其中所述采样电容器和积分电容器具有相同的值。
20.如权利要求19所述的深度相机系统，其特征在于，所述第一序列和第二序列包括迭代所述第二放大器的所述采样和积分模式以实现开关电容器放大。
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