CN109791118B - 用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路 - Google Patents

Abstract

一种用于估计电阻式气体传感器(GS)的电阻的测量电路(MC)包括第一电流路径(P1)，其中，第一对数压缩电路(LC1)布置在第一电流路径(P1)中。参考电阻器(Rreference)和第二对数压缩电路(LC2)布置在测量电路(MC)的第二电流路径(P2)中。电压发生器(VG)为电阻式气体传感器(GS)和参考电阻器(Rreference)提供固定电压激励。从电阻式气体传感器(GS)接收的第一电流(I1)从气体传感器(GS)经由第一电流路径(P1)流入第一对数压缩电路(LC1)。估计电路(EC)根据第一和第二对数压缩电路(LC1、LC2)的第一和第二输出信号(Ve1、Ve2)确定电阻式气体传感器(GS)的电阻(Rs)。

Description

用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路

技术领域

本发明涉及构建宽动态范围气体传感器测量电路的领域，例如，在其最小和最大电流范围之间具有因子10000至50000的传感器电流(例如从nA到mA范围的传感器电流)的电路。特别地，本发明涉及一种用于估计电阻式气体传感器的输出信号的测量电路。

背景技术

电阻式气体传感器通常用于检测特定气体成分的存在，例如，监测在气体传感器所暴露的大气中与环境相关的气体，例如一氧化碳和甲烷。用于检测电阻式气体传感器所暴露的气体成分的常用化学敏感材料是氧化物，例如，诸如氧化锡、氧化钨或氧化铟之类的金属氧化物。该氧化物的特征为依赖于气体大气中特定气体成分的可获得性而具有相当大的电阻变化。

用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路/接口检测传感器的输出信号。该输出信号可以是传感器电流或电压，其由测量电路估计以推断电阻式气体传感器的电阻/电阻变化并确定在气态大气中包含的成分。传感器电阻的测量示出了对各种参数的多种依赖性，这些参数包括测量电路针对任何给定结温的准确热电压、由于工艺变化引起的ADC(模数转换器)参考电压值误差、ADC参考电压随温度的漂移、ADC参考电压随寿命的漂移等。特别地，在低电压供电环境中，由于使电阻式气体传感器的实际电阻值的测量失真的多个参数，使得用于估计电阻式气体传感器的输出信号的测量电路的设计非常复杂。

需要提供一种用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路，几乎不会使电阻式气体传感器的电阻的测量/计算受到测量电路的组件的干扰参数的影响，并且其中，该测量电路可以用在低压供电环境中。

发明内容

在权利要求1中规定了用于估计电阻性气体传感器的电阻的测量电路的实施例。

该测量电路包括用于将该测量电路连接到电阻式气体传感器的输入端子。该测量电路还包括第一电流路径和第二电流路径。输入端子布置在第一电流路径中。参考电阻器布置在第二电流路径中。测量电路还包括电压发生器，用于为电阻式气体传感器和参考电阻器提供固定电压激励。

该测量电路包括布置在第一电流路径中的第一对数压缩电路，使得第一电流从电阻式气体传感器流到输入端子并且经由第一电流路径流入第一对数压缩电路。该测量电路包括布置在第二电流路径中的第二对数压缩电路，使得流过参考电阻器的第二电流流入第二对数压缩电路。该测量电路还包括估计电路，其用于确定电阻式气体传感器的电阻。

第一对数压缩电路被配置为根据第一电流生成第一输出信号。第二对数压缩电路被配置为根据第二电流生成第二输出信号。估计电路被配置为根据第一输出信号和第二输出信号确定电阻式气体传感器的电阻。

用于估计电阻式气体传感器的电阻的所述测量电路是宽范围的气体传感器接口，该接口能够使用电压信号激励气体传感器/换能器并且能够将在输入端处从电阻式气体传感器接收的信号电流以对数方式压缩，以处理超宽范围的操作。可以使用参考电源电位或参考地电位的电压参考来激励电阻式气体传感器。通过参考电源电位激励传感器，从传感器接收的第一电流，即传感器电流，使用可以在标准CMOS工艺中构建的p-n结直接从对数压缩电路中的电阻式气体传感器流出。用于将传感器电流镜像在第一电流路径中并因此镜像在对数压缩电路中的电流镜不是必需的。这里消除了宽动态范围电流镜的电流失配误差。

电阻式气体传感器包括电阻器，该电阻器的电阻取决于电阻式气体传感器所暴露的气态大气中的气态成分。测量电路可以在芯片的衬底上/中实现。因此，电阻式气体传感器以及电阻式气体传感器的电阻器布置在片外，而参考电阻器布置在片上。参考电阻器可以耦合到电源电位，并从而参考电源电位。可以同时激励电阻式气体传感器/电阻式气体传感器的电阻器和片上参考电阻器，以相对于片上参考电阻器的电阻测量/计算传感器电阻。同时激励电阻式气体传感器/换能器和片上参考电阻消除了由于电源电位、地电位等耦合引起的瞬时误差。

测量电路可以被配置为根据差分/差信号确定电阻式气体传感器的电阻，该差分/差信号具有取决于(第一对数压缩电路的)第一输出信号和(第二对数压缩电路的)第二输出信号之间的差的电平。由于测量电路基于差分/差信号而不是参考电源或地电位的信号来确定电阻式气体传感器的电阻，因此用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路的所提出的方法使得设计免受噪声的影响。

测量电路可以包括ADC(模数转换器)，以将模拟差分/差信号改变为数字输出信号。测量电路被配置为通过比率测量来确定气体传感器的电阻，该比率测量使得确定电阻式气体传感器的电阻不变于测量电路的ADC的电压参考。

附图说明

图1示出了用于估计电阻式气体传感器的电阻的传统测量电路。

图2示出了概念性传感器测量框图。

图3A示出了用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路的第一实施例。

图3B示出了用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路的第二实施例。

图3C示出了用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路的第三实施例。

图4示出了针对用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路的静电放电概念的实施例。

图5A示出了用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路的实施例，其包括用于检测电阻式气体传感器与测量电路的断开的检测电路的第一实施方式。

图5B示出了用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路的实施例，其包括用于检测电阻式气体传感器与测量电路的断开的检测电路的第二实施方式。

图6示出了使用单个归一化理想因子η_norm＝1时传感器电阻在1KOhms至10MOhms范围内的百分比测量误差。

图7示出了使用理想因子ηnorm＝0.9935时传感器电阻在1KOhms至10MOhms范围内的百分比测量误差。

图8示出了用于针对单曲率和偏移校准技术计算系数η_c和η_o的校准流程。

图9示出了仅使用根据曲率和偏移校准技术对理想因子的曲率校正时传感器电阻在1Kohms至10MOhms范围内的百分比测量误差。

图10示出了使用根据曲率和偏移校准技术对理想因子的曲率校正和偏移时传感器电阻在1Kohms至10MOhms范围内的百分比测量误差。

图11示出了用于计算范围曲率和偏移校准技术的系数ηc和ηo的校准流程。

图12示出了计算范围曲率和偏移校准技术的电阻Rsensor的流程图。

图13示出了使用范围曲率和偏移校准技术时传感器电阻在1KOhms至10MOhms范围内的百分比测量误差。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图来更详细地描述用于估计电阻式气体传感器的电阻的所提出的测量电路，附图示出了测量电路的不同实施例。然而，测量电路可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开内容能够向本领域技术人员充分传达该测量电路的范围。附图不一定按比例绘制，而是配置为清楚地示出测量电路的设计。

为了确定电阻式气体传感器的电阻，可以使用与电阻式气体传感器连接的测量电路。图1示出了测量电路MC'的传统实施例，该测量电路MC'耦合到电阻式气体传感器GS。该电阻式气体传感器GS包括具有可变电阻的电阻器Rsensor，该电阻可在传感器环境中的气体的气体成分的影响下改变。测量电路MC'包括布置在两个电流路径P1和P2中的各自的对数转换器Q1、Q2，用以执行信号电流I_R和参考电流I_REF的对数压缩。信号电流I_R是来源于流过气体传感器的传感器电流并且被镜像到第一电流路径P1中和对数转换器Q1中的电流。参考电流I_REF是来源于由恒定电流源CS生成的电流I'_REF并且被另一个电流镜镜像在第二电流路径P2中和对数转换器Q2中的电流。

由图1中未示出的估计电路对各个对数转换器Q1和Q2的输出信号V_EB1和V_EB2进行估计。估计电路可以确定表示对数转换器的输出信号V_eb1和V_eb2的差的差信号V_in。差信号V_in是模拟信号，其可以通过图1中未示出的估计电路的n位ADC改变为数字信号Code_Vin。数字信号Code_Vin可以由估计电路处理，以通过等式(1)确定电阻式气体传感器GS的电阻，

其中，Rref是片上参考电阻器的电阻，T是结温，k是玻尔兹曼常数(1.3806488*10^-16焦耳/库仑)，q是电荷(1.602*10^-19库仑)，Vadc是ADC的电压参考，n是ADC的分辨率，Code_Vin是ADC输出代码。该计算表明传感器电阻Rs的计算依赖于各种参数，包括任何给定结温的精确热电压kT/q、由于工艺变化引起的ADC参考电压值误差、ADC参考电压Vadc随温度的漂移、ADC参考电压随寿命的漂移等。因此，由估计电路执行的传感器电阻Rs的计算将具有多个误差源。

图2示出了用于估计电阻式气体传感器GS的可变电阻器Rsensor的电阻Rs的测量电路MC的概念性传感器测量框图。气体传感器GS耦合到测量电路MC的输入端子/板E。测量电路包括参考电阻器Rreference，其布置在芯片上，即布置在测量电路的芯片的衬底上/中。参考电阻器Rreference耦合到测量电路的输入节点IN。

测量电路MC还包括电压发生器VG，用于将电压Vforce应用/施加到输入端子/板E和内部节点IN。测量电路MC还包括第一对数转换器/压缩电路LC1和第二对数转换器/压缩电路LC2。第一对数转换器/压缩电路LC1在该对数转换器/压缩电路LC1的输入端处接收来自电阻式气体传感器的传感器信号/电流Is。在对该传感器信号/电流执行了对数转换/压缩之后，对数转换器/压缩电路LC1生成输入到估计电路EC的输出信号Vs。

第二对数转换器/压缩电路LC2在该对数转换器/压缩电路LC2的输入端处接收参考信号/电流Iref，该参考信号/电流Iref取决于参考电阻器Rreference的电阻Rref。在对参考信号/电流Rref执行了对数转换/压缩之后，对数转换器/压缩电路LC2生成输入到估计电路EC的输出信号Vref。

估计电路EC被配置为基于等式(2)计算气体传感器GS的电阻器Rsensor的电阻Rs。

图2示出了用于测量电阻式气体传感器GS的电阻器Rsensor的电阻Rs的测量电路MC的实施例的一般概念。如图2所示，测量电路MC为电阻式气体传感器GS的电阻器Rsensor和测量电路MC的内部参考电阻器Rref生成同时激励电压Vforce。为传感器电流Is和参考电流Iref提供相应的对数转换器/压缩电路LC1、LC2，用于以对数标度产生传感器电压Vs和参考电压Vref。差分/差信号Vin＝Vs-Vref，其具有传感器电阻Rs相对于参考电阻器Rreference的电阻Rref的信息。

图3A、图3B和图3C示出了根据图2中所示的一般概念的测量电路MC的可行实施方式。用于估计电阻式气体传感器的电阻Rs的每个测量电路MC包括用于将测量电路连接到电阻式气体传感器GS的输入端子/板E。输入端子E被配置为施加从电阻式气体传感器GS接收的输入信号I1，例如传感器电流。电阻式气体传感器GS包括电阻器Rsensor，其电阻Rs取决于气体传感器所暴露的大气中的气体成分。测量电路MC还包括具有电阻Rref的参考电阻器Rreference。

如图3A、图3B和图3C所示，测量电路MC还包括电压发生器VG，用于为电阻式气体传感器GS和参考电阻器Rreference提供固定电压激励。测量电路的输入端子E布置在第一电流路径P1的输入端处。测量电路MC还包括第二电流路径P2，参考电阻器Rreference布置在第二电流路径P2中。

图3A、图3B和图3C中所示的测量电路的每个实施例包括对数转换器/压缩电路。第一对数转换器/压缩电路LC1布置在第一电流路径P1中，使得第一电流I1，即电阻式气体传感器GS的传感器电流，从气体传感器GS流到输入端子E，并从该输入端子E流入第一对数转换器/压缩电路LC1。这意味着传感器电流本身在第一对数转换器/压缩电路中流动。

第二对数转换器/压缩电路LC2布置在第二电流路径P2中，使得流过参考电阻器Rreference的第二电流I2流入第二对数转换器/压缩电路LC2。第一对数转换器/压缩电路LC1被配置为根据第一电流I1生成第一输出信号Ve1。第二对数转换器/压缩电路LC2被配置为根据第二电流I2生成第二输出信号Ve2。

根据图3A和图3B中所示的测量电路MC的实施例，测量电路还包括估计电路EC，用于确定电阻式气体传感器GS的电阻Rs。估计电路EC被配置为根据第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2确定电阻式气体传感器GS的电阻Rs。特别地，估计电路EC可以被配置为根据测量电路的热电压V_ktq与差信号V_in的比率来确定电阻式气体传感器GS的电阻Rs，该差信号V_in具有表示第一输出信号Ve1的电平和第二输出信号Ve2的电平之间的差的电平。

根据图3A、图3B和图3C中所示的测量电路MC的实施例，测量电路包括第一固定电压线路VL1，用于提供电源电位Vsupply和地电位Vground之一。测量电路还包括布置在第二电流路径P2中的内部节点IN。参考电阻器Rreference布置在第一固定电压线路VL1和内部节点IN之间。

测量电路MC包括第一运算放大器A1，该第一运算放大器A1具有施加激励电压Vforce的第一输入A1_in1和第二输入A1_in2。测量电路MC还包括第二运算放大器A2，该第二运算放大器A2具有施加激励电压Vforce的第一输入A2_in1和第二输入A2_in2。第一运算放大器A1的第二输入A1_in2连接到测量电路的输入端子/板E。第二运算放大器A2的第二输入A2_in2连接到内部节点IN。

测量电路MC还包括第一驱动器Mp1和第二驱动器Mp2。第一驱动器Mp1在第一电流路径P1中布置在测量电路的输入端子/板E与第一对数转换器/压缩电路LC1之间。第二驱动器Mp2在第二电流路径P2中布置在测量电路的内部节点IN与第二对数转换器/压缩电路LC2之间。第一驱动器Mp1由第一运算放大器A1控制，并且第二驱动器Mp2由第二运算放大器A2控制。第一驱动器Mp1可以被配置作为具有连接到第一运算放大器A1的输出A1_out的栅极/控制端子Mp1_G的晶体管。第二驱动器Mp2可以被配置作为具有连接到第二运算放大器A2的输出A2_out的控制/栅极端子Mp2_G的晶体管。

测量电路MC包括第二固定电压线路VL2，用于提供电源电位Vsupply和地电位Vground之一。第二固定电压线路VL2被配置为当第一固定电压线路VL1提供电源电位Vsupply时提供地电位Vground。第二固定电压线路VL2被配置为当第一固定电压线路VL1提供地电位Vground时提供电源电位Vsupply。由节点E上的电压发生器VG施加的电压参照VL1(例如参照Vsupply)的方式，或者参照VL2(例如参照Vground)的方式来进行配置。

第二电流路径P2布置在第一固定电压线路VL1和第二固定电压线路VL2之间。第一对数转换器/压缩电路LC1布置在测量电路的输入端子/板E和第二固定电压线路VL2之间。第二对数转换器/压缩电路LC2布置在测量电路的内部节点IN和第二固定电压线路VL2之间。

在下文中，描述了如图3A所示的测量电路MC的具体实施例。

测量电路MC包括布置在第一固定电压线路VL1和第二固定电压线路VL2之间的第三电流路径P3。测量电路MC还包括布置在第三电流路径P3中的另一参考电阻器Rreference'。根据图3A中所示的测量电路MC的实施例，参考电阻器Rreference的电阻是Rref，另一参考电阻器Rreference'的电阻是N*Rref。第一对数转换器/压缩电路LC1布置在第一电流路径P1和第三电流路径P3的公共分支中。

测量电路MC包括第三驱动器Mp3，该第三驱动器Mp3在第三电流路径P3中布置在另一参考电阻器Rreference'与第一对数转换器/压缩电路LC1之间。第三驱动器Mp3由第一运算放大器A1控制。

根据图3A中所示的测量电路MC的实施例，测量电路MC包括第一可控开关Sw1，该第一可控开关Sw1布置在测量电路的输入端子/板E和第一运算放大器A1的第二输入A1_in2之间。测量电路还包括第二可控开关Sw2，该第二可控开关Sw2布置在第一运算放大器A1的第二输入A1_in2和第三电流路径P3之间。测量电路包括第三可控开关Sw3，该第三可控开关Sw3布置在第一运算放大器A1的输出A1_out和第一驱动器Mp1的控制端Mp1_G之间。测量电路还包括第四可控开关Sw4，该第四可控开关Sw4布置在第一运算放大器A1的输出A1_out和第三驱动器Mp3的控制端Mp3_G之间。测量电路MC包括控制电路PC，用于控制第一可控开关Sw1、第二可控开关Sw2、第三可控开关Sw3和第四可控开关Sw4，以测量/确定电阻式气体传感器GS的电阻器Rsensor的电阻Rs。

控制电路PC被配置为使第一可控开关Sw1和第三可控开关Sw3在各自的导通状态下操作，并且使第二可控开关Sw2和第四可控开关Sw4在非导通状态下操作，以执行对第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2的各自的电平的第一测量。控制电路PC还被配置为使第二可控开关Sw2和第四可控开关Sw4在各自的导通状态下操作，并且使第一可控开关Sw1和第三可控开关Sw3在非导通状态下操作，以执行对第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2的各自的电平的第二测量。在第一对数转换器/压缩电路LC1的输出端A_LC1处提供第一输出信号Ve1。在第二对数转换器/压缩电路LC2的输出端A_LC2处生成第二输出信号Ve2。输出信号Ve1和Ve2中的每一个可以是电压信号。

估计电路EC可以包括微分元件DE，用于计算第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2之间的差信号V_in、V_ktq。此外，估计电路包括用于计算电阻器Rsensor的电阻Rs的计算单元。测量电路MC包括连接在微分元件DE和计算单元CU之间的模数转换器C，用于将模拟输入信号转换为数字输出信号。估计电路EC被配置为计算第一(模拟)差信号V_in，该第一(模拟)差信号V_in具有取决于在第一测量期间测量的第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2的各自的电平之间的差的电平。此外，估计电路EC被配置为计算第二(模拟)差信号V_ktq，该第二(模拟)差信号V_ktq具有取决于在第二测量期间测量的第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2的各自的电平之间的差的电平。第二差信号V_ktq是测量电路MC的热电压值。

数字转换器C被配置为将第一模拟差信号Vin变换为数字差信号Code_Vin，并将第二模拟差信号V_ktq变换为数字差信号Code_ktq。通过使用具有参考电压Vadc的模数转换器C，第一模拟差信号V_in是

其中，Ve1和Ve2是第一次测量期间的输出信号。第二模拟差信号V_ktq是

其中，Ve1和Ve2是第二次测量期间的输出信号。

计算单元CU通过等式(5)计算传感器电阻Rs

如等式5所示，计算单元CU被配置为根据参考电阻器Rreference的电阻Ref并且根据第一差信号V_in和第二差信号V_ktq来确定电阻式气体传感器GS的电阻器Rsensor的电阻。

图3B示出了测量电路MC的实施例，该实施例与图3A所示测量电路的配置类似。除了图3A中所示的测量电路的实施例之外，图3B的测量电路MC还包括布置在第一固定电压线路VL1和第二固定电压线路VL2之间的另外的第四电流路径。测量电路包括布置在第四电流路径P4中的参考电阻器Rreference”。第二对数转换器/压缩电路LC2布置在第二电流路径P2和第四电流路径P4的公共分支中。测量电路MC包括第四驱动器Mp4，该第四驱动器Mp4在第四电流路径P4中布置在参考电阻器Rreference”与第二对数转换器/压缩电路LC2之间。第四驱动器Mp4由第二运算放大器A2控制。

根据图3B中所示的测量电路MC的实施例，测量电路MC包括第五可控开关SW5，该第五可控开关SW5布置在第二运算放大器A2的第二输入端子A2_in2和第四电流路径P4(特别地在参考电阻器Rreference”和第四驱动器MP4之间)之间。测量电路还包括第六可控开关Sw6，该第六可控开关Sw6布置在第二运算放大器A2的输出A2_out和第四驱动器MP4的控制端MP4_G之间。测量电路包括第七可控开关SW7，该第七可控开关SW7布置在第二输入A2_in2和第二电流路径P2(特别地为第二电流路径中参考电阻器Rreference和第二驱动器MP2之间的位置)之间。测量电路还包括第八可控开关Sw8，该第八可控开关Sw8布置在第二运算放大器A2的输出A2_out和第二驱动器MP2的控制端MP2_G之间。

测量电路MC包括控制电路PC，用于控制可控开关以测量/确定敏感气体传感器GS的电阻器Rsensor的电阻Rs。

控制电路PC被配置为使第一可控开关Sw1和第三可控开关Sw3以及第七可控开关Sw7和第八可控开关Sw8在各自的导通状态下操作，并且使其他的可控开关在非导通状态下操作，以执行对第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2的各自的电平的第一测量。控制电路PC还被配置为使第二可控开关Sw2和第四可控开关Sw4以及第五可控开关Sw5和第六可控开关Sw6在各自的导通状态下操作，并且使其他的可控开关在非导通状态下操作，以执行对第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2的各自的电平的第二测量。在第一对数转换器/压缩电路LC1的输出端A_LC1处提供第一输出信号Ve1，并且在第二对数转换器/压缩电路LC2的输出端A_LC2处生成第二输出信号Ve2。

估计电路EC接收输出信号Ve1和Ve2，并且按照上述图3A的估计电路EC的描述进行配置。估计电路EC通过等式(5)计算传感器电阻Rs。

在下文中，描述了如图3C所示的用于测量/估计电阻式气体传感器的电阻器Rsensor的电阻Rs的测量电路MC的具体实施例。

图3C所示的测量电路MC包括第三电流路径P3'和第四电流路径P4'，它们连接在第一固定电压线路VL1和第二固定电压线路VL2之间。测量电路MC包括电流镜CM，用于在第三电流路径P3'中提供第三电流I3，并且在第四电流路径P4'中提供第四电流I4。电流镜CM被配置为使得第四电流I4是第三电流I3的N倍。测量电路MC还包括第三对数转换器/压缩电路LC3，用于提供第三输出信号Ve3。第三对数转换器/压缩电路LC3布置在第三电流路径P3'中。测量电路MC还包括第四对数转换器/压缩电路LC4，用于提供第四输出信号Ve4。第四对数转换器/压缩电路LC4布置在第四电流路径P4'中。斩波元件Chop可以布置在第三电流路径P3'和第四电流路径P4'之间。参考电流源CS生成参考电流Iref，参考电流Iref被电流镜CM镜像，以在第三电流路径P3'中提供第三电流I3并在第四电流路径P4'中提供第四电流I4。

估计电路EC包括第一微分元件DE1。估计电路EC配置为通过第一微分元件DE1计算第一模拟差信号V_in，该第一模拟差信号V_in具有取决于第一输出信号Ve1和第二输出信号Ve2的各自的电平之间的差的电平。估计电路EC还包括具有参考电压Vadc的模数转换器C，该数模转换器C接收第一模拟差信号V_in并生成数字输出信号Code_Vin。第一模拟差信号V_in和数字输出信号Code_Vin之间的关系是

估计电路EC还包括第二微分元件DE2，估计电路EC通过该第二微分元件DE2计算第二模拟差信号V_ktq，该第二模拟差信号V_ktq具有取决于第三输出信号Ve3和第四输出信号Ve4的各自的电平之间的差的电平。第二模拟差信号V_ktq被输入到模数转换器C。模数转换器C将第二模拟差信号V_ktq变换为数字输出信号Code_ktq。第二模拟差信号V_ktq和数字输出信号Code_ktq之间的关系是

根据图3C的估计电路EC被配置为通过等式(5')根据第一差信号V_in和第二差信号V_ktq之间的关系来确定电阻式气体传感器GS的电阻Rs。

计算单元CU被配置为根据参考电阻器Rreference的电阻Rref并且根据第一差信号V_in和第二差信号V_ktq来确定电阻式气体传感器GS的电阻器Rsensor的电阻Rs。

根据图3A、3B和3C中所示的测量电路的实施例，估计电路EC的计算单元CU接收数字信号Code_Vin和数字信号Code_ktq。计算单元CU被配置为通过等式(6)计算电阻Rs，

其中，N表示参考电阻器Rreference的电阻与另一参考电阻器Rreference'(图3A)或Rreference'/Reference”(图3B)的电阻之间的比率，或第三电流I3与第四电流I4(图3C)之间的比率。等式(6)的结果来自将等式(3)、(4)代入等式(5)，或者将等式(3')、(4')代入等式(5')。

为了确定参考电阻器Rreference的电阻Rref，可以使用双温度校准技术。执行第一测量以计算参考电阻器Rreference的精确值Rref0，以便消除工艺变化。在第二温度下执行第二测量以测量参考电阻器Rreference的温度系数α。通过这种方式，通过总是计算每次测量的电阻Rref，可以消除由于工艺变化和温度变化引起的参考电阻器Rreference的电阻Rref的误差源。电阻Rref是

Rref＝Rref0*{1+α(Tjn-T0)}(7)，

其中，Rref0表示通过第一校准温度T0测量的参考电阻器Rreference的电阻Rref，T0表示第一校准温度，α表示参考电阻器Rreference的热系数，Tjn表示传感器测量完成时的结温。

如图3A、图3B和图3C所示的测量电路的实施例中，每个对数转换器/压缩电路可以配置为二极管Q1、Q2、Q3和Q4。可以使用任何两个结来实现每个二极管，或者能够针对相同的功能替换来自任何CMOS器件的任何寄生二极管。根据可能的实施例，对数转换器/压缩电路LC1、LC2、LC3和LC4的各自的二极管Q1、Q2、Q3和Q4具有相同的尺寸。对于最低的工艺失配，二极管/双极晶体管Q1、Q2、Q3和Q4/Mp1、Mp2和Mp4以及电流镜CM中的晶体管(如果适用)的尺寸选择为相同。可以采用所有布局技术，如共同质心、虚拟二极管/双极等，用于获得最佳性能和最低失配。也能够通过适当地缩放参考电阻器(图3A、图3B)和电流(图3B)来使用非对称双极尺寸，使得满足等式(1)和(6)。

根据图3A、图3B和图3C中所示的测量电路的实施例，可以参考电源电压Vsupply来激励换能器/气体传感器以及测量电路MC。根据另一实施例，可以参考地电位Vground来激励气体传感器和测量电路。

如图3A、图3B和图3C的实施方式中所示，根据测量电路的实施例，第一运算放大器A1和第二运算放大器A2以及驱动器器件Mp1、Mp2和Mp3可以各自配置为PMOS器件。替换地，可以设计第一运算放大器和第二运算放大器使得驱动器器件Mp1、Mp2和Mp3可以被配置为NMOS器件。

如图3A、图3B和图3C的实施方式中所示的测量电路MC可以用作宽范围气体传感器接口，其能够使用电压信号Vforce激励换能器/气体传感器GS，并且以对数方式压缩信号电流以处理超宽范围的运算。如图3A、图3B和图3C所示，参考电源电位Vsupply激励气体传感器GS，使得传感器信号/传感器电流Is直接流入对数转换器/压缩电路LC1。

因为传感器信号/传感器电流本身是从传感器流入对数压缩/转换器电路LC1的电流，所以对数转换器/压缩电路可以被配置为直接将传感器信号/传感器电流压缩成对数标度的PNP或NPN器件。例如参考图1的测量电路的实施例所示，所提出的技术不需要能够成为误差的主要来源的宽动态范围电流镜。所提出的根据图3A、图3B和图3C的测量电路的实施方案是用于低电源电压(约1.8V和更低)设计的最合适的方法，其中，能够适合气体传感器和测量电路而没有任何余量限制。

根据所述测量电路MC的概念，同时激励气体传感器的可变电阻器Rsensor和片上参考电阻器Rreference，以测量相对于片上参考电阻器Rreference的电阻Rref的传感器电阻Rs。对换能器/气体传感器GS和片上参考电阻器Rreference的同时激励消除了由于电源电位、地电位等耦合引起的瞬时误差以及测量/激励电路的失配。

因为是测量的是差分信号而不是测量与电源或地电位有关的信号，所以这种方法还使设计免受噪声影响。用于计算传感器电阻Rs的比例测量使得传感器测量特别地对于模数转换器的电压参考Vadc是不变的。使用相同的对数转换器/压缩电路和用于测量传感器信号的相同模数转换器来计算重新计算换能器电阻Rs所需的常数。成比例地消除了模数转换器C的电压参考Vadc的影响。这使得该设计在电压参考Vadc的温度、工艺和寿命漂移中都很稳健。

在图3A中示出了使用具有电阻Rref的参考电阻器Rreference和具有电阻N*Rref的另一参考电阻器Rreference’来生成和计算热电压V_ktq。根据图3B中所示的测量电路的实施方式，示出了通过电流I3以及为电流I3的N倍的电流I4来生成和计算热电压V_ktq。使用用于传感器信号测量和热电压V_ktq的内部计算的相同的模块/部件/二极管来测量热电压V_ktq和传感器信号，使得测量/计算独立于模数转换器的电压参考Vadc和取决于结温的热电压。使用经过校准的片上参考电阻器消除了外部元件的需求，并使传感器测量更准确。

图4示出了可能的ESD概念，用以保护测量电路来抵抗可能在测量电路的输入端子/板E处发生的静电放电。如图4所示，提供了实现ESD保护电路的二极管D1、D2和D3。二极管D3可以实施为寄生二极管。固定传感器激励电压Vforce的生成确保了由包括二极管D1、D2和D3的ESD保护电路引起的泄漏能够被最小化或消除，以通过将二极管D1、D2和D3的从输入端子/板E到电源电位Vsupply的ESD泄漏与二极管从地电位Vground到输入端子/板E的ESD泄漏匹配，来使测量电路更精确。为了最小化由于ESD泄漏失配引起的误差，使二极管D1、D2和寄生二极管D3的二极管面积匹配，使得流过二极管D2的漏电流Ileak(D2)等于流过二极管D1的漏电流Ileak(D1)和流过二极管D3的漏电流Ileak(D3)之和(Ileak(D2)＝Ileak(D1)+Ileak(D3))。

气体传感器GS能够配置为独立/单独的模块，其通过PCB上的连接与测量电路MC连接。另一种可能的解决方案是系统级封装(SIP)方法，其中，换能器模块/气体传感器GS和测量电路MC在相同的封装中并且通过封装内的层压布线上的接合线连接。在这种情况下，存在换能器/气体传感器GS与测量电路MC连接断开的可能性。对于许多汽车产品，需要对换能器/气体传感器与测量电路的连接断开的检测以符合ASIL要求。

为了检测换能器/气体传感器GS与测量电路MC连接断开，构建了诊断电路/检测电路，其不会影响将传感器电阻器Rsensor连接到对数转换器/压缩电路的路径。在该分支中添加任何电流或电压激励可能由于结点或亚阈值泄漏等而对系统性能有害。为了检测电阻式气体传感器GS与测量电路的连接断开，必须构建不影响主传感器分支的检测电路。

对于图3A、图3B和图3C中所示的测量电路MC的每个实施方式，每当气体传感器GS与测量电路连接断开时，驱动器Mp1的栅极节点Mp1_G将始终饱和到电源电位Vsupply或地电位Vground。检测电路能够由被驱动器Mp1的栅极电压偏置的电压比较电路或电流比较电路实现。能够从栅极偏置节点Mp1_G本身导出的检测阈值，或者能够将在驱动器Mp1的栅极端子Mp1_G处测量的电压与片上参考(例如带隙参考)进行比较。

图5A和图5B示出了用于检测电阻式气体传感器GS与测量电路MC的输入端子/板E的连接断开的检测电路的两种可能的实施方式。图5A示出了电流或电压比较策略，其中，基于驱动器器件Mp1的栅极电压生成参考电压或电流。检测电路DC1被配置为连接到第一运算放大器A1的输出A1_out的电压/电流比较器，并被配置为基于第一运算放大器A1的输出电压V_A1生成其参考电压。当驱动器Mp1的栅极Mp1_G饱和到电源电压Vsupply或者地电位Vground时，检测电路DC1生成指示气体传感器与测量电路的连接断开的DISCONN诊断标志。另一种实施方式是对流入驱动器器件Mp1的电流进行镜像，并使用镜像电流来检测气体传感器的连接断开。

根据图5B中所示的替代实施例，测量电路MC包括被配置为比较器的检测电路DC2，其具有连接到第一运算放大器A1的输出A1_out的第一输入连接DC_in1，并且具有第二输入连接DC_in2以施加在包括测量电路的芯片上生成的片上参考电压。根据图5B中所示的检测电路的实施方式，将驱动器器件Mp1的栅极电压与片上参考电压(例如，带隙参考电压)进行比较。

如根据图3A、图3B和图3C中所示的测量电路MC的实施例所示，针对导致信号电流I1和I2(其通常被二极管Q1和Q2的二极管I-V特性而对数地压缩)的电源电压Vsupply和地电势Vground中的一个，使用电压Vforce来激励电阻式气体传感器GS，以生成具有较小动态范围的电压测量信号Vin。根据图3C所示的测量电路的实施例，采用另一对二极管/晶体管Q3和Q4来生成热电压V_ktq。在图3B中使用替代选项诸如“Rref”和“N*Rref”而不是电流“Iref”和“N*Iref”来示出了生成和计算热电压。

通过使用二极管进行对数压缩电压响应测量来进行宽范围的电阻式传感器测量。然而，二极管的电流-电压(I-V)特性受到由于结缺陷导致的高电平电流注入和低电平电流注入的影响。这导致理想因子η沿二极管工作电流范围的变化，并引入能够随电阻范围呈指数增加的测量误差。

每个对数压缩二极管能够使用任何半导体结来实现，或者能够针对相同的功能替换来自任何CMOS器件的任何寄生二极管。参考图3C中所示的测量电路MC的实施例，考虑到二极管Q1、Q2、Q3和Q4的理想因子η，传感器电阻Rs由以下等式(8)至(11)确定：

V_ktq＝Ve4-Ve3＝η2*VT*ln(N)(8)，

V_in＝Ve2-Ve1＝η1*VT*Ln(Rsensor/Rref)(9)，

其中，Rref是片上参考电阻器Rreference的电阻，Rs是要测量的电阻式气体传感器GS的传感器电阻器Rsensor的电阻，VT是以开尔文为单位的硅结温度T成比例的热电压，N是用于生成片上热电压的电流的比率，η1是二极管Q1和Q2的理想因子，η2是二极管Q3和Q4的理想因子，η_norm是从η2和η1的比值得到的归一化理想因子。

能够通过顺序地将第一差信号V_in和第二差信号V_ktq馈送到任何数据转换器来对其进行测量。通过将上述等式(8)至(11)在估计电路EC的任何数字逻辑中实施，来从上述等式(8)至(11)计算得出电阻式气体传感器GS的传感器Rsensor的电阻Rs。如图3A、图3B和图3C所示，能够使用片上存储器M以任何数字格式保存归一化的理想因子η_norm。

这种实施方式的主要设计含义是

a)选择参考偏置电流I2和参考电阻器Rreference，使得偏置电流I2是传感器电流I1的整个电流范围的上限和下限的几何平均值。这意味着参考电阻器Rreference是待测电阻式气体传感器GS的电阻器Rsensor的电阻Rs的电阻范围的几何平均值；和

b)用于生成第二差信号V_ktq的电流比1：N使用电流路径P3'中的各个电流作为Iref/√N和使用电流路径P4'中的各个电流作为Iref*√N来实现，并且它们的几何平均值也是Iref。因此，对于平均工作电流条件，所有晶体管的理想因子是相似的；和

c)二极管Q1、Q2、Q3和Q4的面积相同并且选择成使得在低电平和高电平注入(各自为低和高传感器电流I1)的极端条件下的未校准测量误差在数值上相等。这意味着无论极性如何，准确度降低百分比都是相同的。

理想因子解释了在实际二极管和晶体管中观察到的不完美的结。该因子主要解释了作为穿过耗尽区的电荷载流子的载流子复合。对于p-n结的操作区域，该因子理想地为“1”，其中，高电平注入和低电平注入效应不影响p-n结行为。

图6示出了使用等式(11)中的归一化理想因子作为“1”的电阻式气体传感器GS的可变电阻器Rsensor的传感器电阻Rs从1kOhms到10MOhms的百分比测量误差Er。百分比误差在y轴上，并且传感器电阻(间接地为对数压缩二极管电流)在x轴上。如图6所示，对于40nA至4μA的二极管电流/单位指状物，误差很小。这对应于10KOhms至1Mohms的MOX传感器电阻Rs。对于小于10KOhms的电阻Rs，最终计算的传感器电阻Rs中的误差指数地增加到几乎5％。这是因为p-n结中的高水平注入效应。类似地，当通过二极管/晶体管的电流小于40nA时，低电平注入会影响理想因子和测量精度。

在整个操作范围内，传感器激励条件(电压/电流)应始终连续。任何不连续都可能导致物理变化并改变传感器材料。其也会影响用于化学检测的后端算法的效率。因此，在下文中，呈现了总是在整个范围内以相同的激励电压Vforce激励传感器的校准技术。能够使用批量校准技术、单曲率和偏移校正技术以及范围曲率和偏移校正来校准理想因子η_norm。

批量校准技术

根据批量校准技术，针对有限数量的器件(例如，数千个二极管)计算和校准理想因子η_norm，并将其用作所有制造的器件的默认η_norm值。基于迭代优化，已经观察到理想因子的最佳值是η_norm＝0.9935。

图7中的图表示出了最坏情况角落仿真的百分比测量误差Er。具有值η_norm＝0.9935的理想因子是取决于制造工艺的工艺参数。这是基于二极管制造期间的特性的测量值的统计平均值。

批量校准方法仅需要单个校准系数，并且通过归一化的理想因子“1”降低了与默认值的百分比误差。图7中所示的结果示出了与使用默认值η_norm＝1时相比，百分比误差总是小于+/-2.5％。由于所选的片上参考电阻Rref为100KOhms，误差在100KOhms时为0。参考电阻器Rreference仅被选在100KOhms，因为它是1KOhms至10MOhms的整个测量范围的几何平均值。

单曲率和偏移校正技术

不是使用批量校准，而是可以校正二极管的每个单独样本的理想因子η_norm的曲率和偏移，以进一步最小化百分比测量误差。该单曲率和偏移校正技术旨在识别第一校准系数/曲率系数η_c和第二校准系数/偏移系数η_o，如等式(12)所示。

其中，η_c表示理想因子的曲率校正系数，η_o表示理想因子的偏移校正系数。

根据等式(12)，电阻式气体传感器GS的电阻器Rsensor的电阻Rs根据第二校准系数η_o乘以参考电阻器Rreference的电阻Rref再乘以反对数关系的项来确定，该反对数关系的项由第一校准系数η_c乘以第一差信号V_in和第二差信号V_ktq的商形成。

图8的流程图中示出了用于计算1kOhms至10MOhms的测量范围的曲率和偏移系数的校准策略。

根据步骤A1，相继地将具有第一电阻Rcal1的第一校准电阻器和具有第二校准电阻Rcal2的第二校准电阻器从外部施加到测量电路MC的输入端子E，以确定第一校准系数η_c。关于1KOhms到10MOhms的测量范围，第一校准电阻器可以具有Rcal1＝1KOhms的第一校准电阻，第二校准电阻器可以具有Rcal2＝10MOhms的第二校准电阻。

在步骤A2中，当第一校准电阻器施加到输入端子E时，第一校准系数η_c的值改变，并确定第一校准电阻Rcal1和由估计电路EC确定的电阻之间的第一计算误差。此外，当第二校准电阻器被施加到输入端子E时，第一校准系数η_c的值改变，并且确定第二校准电阻Rcal2和由估计电路EC确定的电阻之间的第二计算误差。对于第一校准电阻Rcal1，例如Rcal1＝1kOhms，以及第二校准电阻，例如Rcal2＝10Mohms，第一校准系数η_c在其整个允许范围内变化，并且计算相应的传感器测量误差。

在步骤A3中，确定第一校准系数η_c的值，使得第一计算误差等于或几乎等于第二计算误差。关于上面给出的示例，选择第一校准系数/曲率系数η_c，使得第一计算误差Rsensor(1KOhms)等于或几乎等于Rsensor(10MOhms)。

在步骤A4中，为了确定第二校准系数η_o，相继地将具有第三校准电阻Rcal3的第三校准电阻器和具有第四校准电阻Rcal4的第四校准电阻器外部施加到测量电路MC的输入端子E，以确定第二校准系数η_o。第三校准电阻器可以具有Rcal3＝10KOhms的第三校准电阻，并且第四校准电阻器可以具有Rcal4＝1MOhms的第四校准电阻。在步骤A4中，通过使用上述计算的第一校准系数/曲率系数η_c，针对第三校准电阻Rcal3和第四校准电阻Rcal4重新计算传感器电阻Rs和传感器测量误差Rsensor。

在步骤A5中，当第三校准电阻器施加到测量电路MC的输入端子E时，第二校准系数η_o的值改变，并确定第三校准电阻Rcal3和由估计电路EC确定的电阻之间的第三计算误差。此外，当第四校准电阻器被施加到输入端子E时，第二校准系数η_o的值改变，并且确定第四校准电阻Rcal4和由估计电路EC确定的电阻之间的第四计算误差。

确定第二校准系数η_o的值，使得第一计算误差和第二计算误差之和为0或几乎为0。在图8所示的示例中，通过扫描η_o以满足条件Rsensor(10KOhms)+Rsensor(1MOhms)＝0(或几乎为0)来计算第二校准系数/偏移系数η_o。

可以将针对第一校准系数η_c和第二校准系数η_o计算出的值存储在存储器M中。

图9示出了当等式(12)使用来自图8的过程的第一校准系数η_c并且η_o被设置为“1”时图7的曲线的变换。由于仅针对曲率对误差的曲线进行校正，因此在电阻为100KOhms时的误差为0。对于电阻式气体传感器的电阻器Rsensor的电阻Rs的从1KOhms到10Mohms的整个范围，最大百分比误差范围为+2.5％至-1.5％。

为了使最大误差在正方向和负方向上在数值上相同，采用第二校准系数/偏移校正系数η_o。如图10所示，通过使用第一校准系数/曲率系数η_c和第二校准系数/偏移系数η_o计算电阻Rs，获得1KOhms至10MOhms的整个传感器电阻范围的测量误差Er。正负峰值误差现在为+2％和-1.66％。单曲率和偏移校正方法仅需要计算两个校准系数并将其存储在存储器M中，例如非易失性存储器。

范围曲率和偏移校正技术

在下文中，给出了范围曲率和偏移校正技术。范围曲率和偏移校正策略涉及将传感器电阻Rs的整个操作范围分成不同的范围。电阻式传感器GS的电阻器Rsensor的电阻Rs的范围能够划分为第一电阻范围和至少第二电阻范围。

第一电阻范围在第一电阻范围的第一电阻Rcal11和第二电阻Rcal12之间延伸。所述至少一个第二电阻范围在该至少一个第二电阻范围的第一电阻Rcal21和第二电阻Rcal22之间延伸。二极管Q1、Q2、Q3和Q4与其理想特征行为的偏差由分配给第一电阻范围的第一校准系数η_c1和第二校准系数η_o1的第一集合和分配给至少一个第二电阻范围的第一校准系数η_c2和第二校准系数η_o2的至少第二集合来校正。

在图11中示出了用于计算第一校准系数η_c1和第二校准系数η_o1的第一集合以及第一校准系数η_c2和第二校准系数η_o2的至少一个第二集合的校准流程。

在该方法的步骤B1中，为了确定第一校准系数η_c1和第二校准系数η_o1的第一集合，将具有等于第一电阻范围的第一电阻R11的第一校准电阻Rcal1的第一校准电阻器外部施加到测量电路MC的输入端子E。此外，将具有等于第一电阻范围的第二电阻R12的第二校准电阻Rcal2的第二校准电阻器外部施加到测量电路MC的输入端子E。针对每个外部施加的第一校准电阻器和第二校准电阻器，由估计电路EC计算传感器电阻Rs，其中，第一校准系数/曲率系数η_c和第二校准系数/偏移系数η_o被选择为“1”。

在步骤B2中，当第一校准电阻器施加到输入端子E时，第一集合校准系数的第一校准系数/曲率系数η_c1的值改变，并确定第一电阻范围的第一电阻R11和由估计电路EC确定的电阻之间的第一计算误差Rsensor。此外，在步骤B2中，当第二校准电阻器施加到输入端子E时，第一集合校准系数的第一校准系数/曲率系数η_c1的值改变，并确定第一电阻范围的第二电阻R12和由估计电路EC确定的电阻之间的第二计算误差。确定第一集合校准系数的第一校准系数/曲率系数η_c1的值，使得第一计算误差等于或几乎等于第二计算误差。

此外，在步骤B2中，确定第一集合校准系数的第二校准系数/偏移系数η_o1。当第一校准电阻器施加到输入端子E时，第一集合校准系数的第二校准系数/偏移系数η_o1的值改变，并确定第一电阻范围的第一电阻R11和由估计电路EC确定的电阻之间的第三计算误差。此外，当第二校准电阻器施加到输入端子E时，第一集合校准系数的第二校准系数/偏移系数η_o1的值改变，并确定第一电阻范围的第二电阻R12和由估计电路EC确定的电阻之间的第四计算误差。确定第一集合校准系数的第二校准系数/偏移系数η_o1的值，使得第三计算误差和第四计算误差之和为0或几乎为0。

在步骤B1中，为了确定第一校准系数η_c2和第二校准系数η_o2的所述至少一个第二集合，将具有第二校准电阻Rcal2的第二校准电阻器外部施加到测量电路MC的输入端子E，并且将具有等于所述至少一个第二电阻范围的第二电阻R22的第三校准电阻Rcal3的第三校准电阻器外部施加到测量电路MC的输入端子E。

根据步骤B3，当第二校准电阻器施加到测量电路的输入端子E时，所述至少一个第二集合校准系数的第一校准系数/曲率η_c2的值改变，并确定所述至少一个第二电阻范围的第一电阻R21和由估计电路EC确定的电阻之间的第五计算误差。此外，当第三校准电阻器施加到测量电路的输入端子E时，至少一个第二集合校准系数的第一校准系数/曲率系数η_c2的值改变，并确定所述至少一个第二电阻范围的第二电阻R22和由估计电路EC确定的电阻之间的第六计算误差。确定第二集合校准系数的第一校准系数/曲率系数η_c2的值，使得第五计算误差等于或几乎等于第六计算误差。

为了确定所述至少一个第二集合校准系数的第二校准系数/偏移系数η_o2的值，当第二校准电阻器施加到测量电路的输入端子E时，所述至少一个第二集合校准系数的第二校准系数η_o2的值改变，并确定所述至少一个第二电阻范围的第一电阻R21和由估计电路EC确定的电阻之间的第七计算误差。当第三校准电阻器施加到测量电路的输入端子E时，所述至少一个第二集合校准系数的第二校准系数/偏移系数η_o2的值改变，并确定所述至少一个第二电阻范围的第二电阻R22和由估计电路EC确定的电阻之间的第八计算误差。确定所述至少一个第二集合校准系数的第二校准系数/偏移系数η_o2的值，使得第七计算误差和第八计算误差之和等于或几乎等于0。

以下通过示例解释范围曲率和偏移校正算法，其中，假设电阻式气体传感器的电阻器Rsensor的电阻Rs具有1KOhms至10MOhms的范围并且被分成三个较小的范围。传感器电阻的每个较小的范围能够是十进制。第一电阻范围在R11＝1KOhms到R12＝10KOhms之间延伸，其中，该第一集合校准系数的校准系数是η_c1和η_o1。第二电阻范围在R21＝10KOhms到R22＝1MOhms之间延伸，其中，该第二范围的校准系数是η_c2和η_o2。第三电阻范围在R31＝1MOhms到R32＝10MOhms之间延伸，其中，第三电阻范围的系数是η_c3和η_o3。

在图11所示的范围曲率和偏移校正算法的步骤B1中，将具有电阻Rcal1＝R11的第一外部校准电阻器、具有电阻Rcal2＝R12＝R21的第二外部校准电阻器、具有电阻Rcal3＝R22＝R31的第三外部校准电阻器和具有电阻Rc 4＝R32的第四外部校准电阻器施加到测量电路MC的输入端子E。三个电阻范围如图13所示。

将1Kohms的第一外部校准电阻、10Kohms的第二外部校准电阻、1Mohms的第三外部校准电阻、和10Mohms的第四外部校准电阻施加到输入端子E，并且由估计电路EC通过等式(12)确定相应的电阻Rs，其中，曲率校正系数η_c被选择为等于1，并且偏移校正系数η_o也被选择为等于1。

在步骤B2中，确定第一校准系数/曲率系数η_c1和第二校准系数/偏移系数η_o1，即针对在1KOhms至10KOhms之间的第一电阻范围的第一集合校准系数。选择第一校准系数η_c1，使得所施加的1KOhms的第一校准电阻器的第一计算误差Rsensor(1K)等于或几乎等于所施加的10KOhms的第二校准电阻器的第二计算误差Rsensor(10k)，即Rsensor(1K)～＝Rsensor(10K)。确定第二校准系数η_o1，使得第三计算误差Rsensor(1k)和第四计算误差Rsensor(10k)之和等于或几乎等于0，即Rsensor(1K)+Rsensor(10K)～＝0。

在步骤B3中，确定针对在10KOhms至1MOhms之间的第二电阻范围的第二集合校准系数的第一校准系数/曲率系数η_c2和第二校准系数/偏移系数η_o2。确定第一校准系数η_c2，使得所施加的10KOhms的第二校准电阻器的第五计算误差Rsensor(10k)等于所施加的1MOhms的第三校准电阻器的第六计算误差Rsensor(1M)，即Rsensor(10K)～＝Rsensor(1M)。确定第二集合校准系数的第二校准系数η_o2，使得所施加的第二校准电阻10KOhms的第七计算误差Rsensor(10K)和所施加的第一校准电阻1MOhms的第八计算误差Rsensor(1M)的总和等于或几乎等于0，即Rsensor(10K)+Rsensor(1M)～＝0。

在步骤B4中，确定针对在1MOhms至10MOhms之间的第一电阻范围的第一集合校准系数的第一校准系数/曲率系数η_c3和第二校准系数/偏移系数η_o3。确定第一校准系数η_c3，使得所施加的1MOhms的第三校准电阻的计算误差Rsensor(1M)等于或几乎等于所施加的10MOhms的第四校准电阻的计算误差Rsensor(10M)。确定第二校准系数η_o3，使得计算Rsensor(1M)和计算误差Rsensor(10M)之和等于或几乎等于0，Rsensor(1M)+Rsensor(10M)～＝0。

图12示出了使用范围曲率和偏移校正来计算电阻式气体传感器的电阻器Rsensor的电阻Rs的流程图。在针对每个电阻范围确定了数个集合的第一校准系数/曲率系数和第二校准系数/偏移系数之后，在使用默认值η_c＝1和η_o＝1完成初始计算之后，确定第一校准系数/曲率系数和第二校准系数/偏移系数的专用集合以用于重新计算传感器电阻Rs。传感器电阻的范围将使用初始计算确定。根据确定的电阻范围，选择第一和第二校准系数的各自的集合。然后，重新计算使用第一校准系数和第二校准系数的对应值的传感器电阻Rs的最终精确值。

图13示出了使用范围曲率和偏移校准技术计算/测量电阻Rs的误差Er。

范围曲率和偏移校正技术不能用于测量/计算的电阻Rs需要连续而在范围边界没有任何不连续的应用中。使用范围曲率和偏移校正在所有下文提到的设计方面具有另外的开销。在整个操作范围内使用单曲率和偏移系数的方法可用于优化校准参数的数量、存储器M中的存储位置的数量和与批量校准相比没有显着的测试时间开销的数字计算开销。

所提出的校准算法为对数压缩传感器前端提供了独特的校准策略，使得它允许电阻式传感器(例如电阻式气体传感器)的没有任何不连续的连续激励(电压/电流)。算法还提供了将概念扩展到分段校准(重新计算)而不是分段传感器激励的可能性。校准策略能够应用于任何对数传感器，以校正理想因子对整个操作范围的影响。此外，校准概念能够应用于任何工艺变体。

附图标记说明

GS 气体传感器

MC 测量电路

Rsensor 气体传感器的电阻器

E 输入端子/板

VG 电压发生器

LC1、...、LC4 对数转换器/压缩电路

EC 估计电路

Rreference 参考电阻器

Rs Rsensor的电阻

Rref Rreference的电阻

A1、A2 运算放大器

Mp1、Mp2、Mp3 驱动器

Ve1、...、Ve4 输出信号

DE1、DE2 微分元件

V_in 第一差信号

V_ktq 第二差信号/热电压

C 模数转换器

Code_Vin V_in的数字信号

Code_ktq V_ktq的数字信号

CU 计算单位

DC1，DC2 检测电路

Claims (18)

1.一种用于估计电阻式气体传感器的电阻的测量电路，包括：

-输入端子(E)，其用于将所述测量电路连接到所述电阻式气体传感器(GS)，

-参考电阻器(Rreference)，

-第一电流路径(P1)，所述输入端子(E)布置在所述第一电流路径(P1)中，

-第二电流路径(P2)，所述参考电阻器(Rreference)布置在所述第二电流路径(P2)中，

-电压发生器(VG)，其为所述电阻式气体传感器(GS)和所述参考电阻器(Rreference)提供固定电压激励，

-第一对数压缩电路(LC1)，其布置在所述第一电流路径(P1)中，使得在所述电阻式气体传感器连接到所述输入端子(E)的情况下，从所述电阻式气体传感器(GS)接收的第一电流(I1)从电阻式气体传感器(GS)流到所述输入端子(E)并且经由所述第一电流路径(P1)流入所述第一对数压缩电路(LC1)，

-第二对数压缩电路(LC2)，其布置在所述第二电流路径(P2)中，使得流过所述参考电阻器(Rreference)的第二电流(I2)流入所述第二对数压缩电路(LC2)，

-第一驱动器(Mp1)，所述第一驱动器(Mp1)在所述第一电流路径(P1)中布置在所述测量电路的所述输入端子(E)与所述第一对数压缩电路(LC1)之间，

-估计电路(EC)，其用于确定所述电阻式气体传感器(GS)的电阻(Rs)，

-其中，所述第一对数压缩电路(LC1)被配置为根据所述第一电流(I1)生成第一输出信号(Ve1)，

-其中，所述第二对数压缩电路(LC2)被配置为根据所述第二电流(I2)生成第二输出信号(Ve2)，

-其中，所述估计电路(EC)被配置为根据所述第一输出信号和所述第二输出信号(Ve1、Ve2)确定所述电阻式气体传感器(GS)的电阻(Rs)。

2.根据权利要求1所述的测量电路，

其中，所述估计电路(EC)被配置为根据所述测量电路的热电压(Vktq)与所述第一输出信号(Ve1)和所述第二输出信号(Ve2)之间的差的比率来确定所述电阻式气体传感器(GS)的电阻(Rs)。

3.根据权利要求1或2所述的测量电路，包括：

-第一固定电压线路(VL1)，其提供电源电位(Vsupply)和地电位(Vground)之一，

-内部节点(IN)，其布置在所述第二电流路径(P2)中，

-其中，所述参考电阻器(Rreference)布置在所述第一固定电压线路(VL1)和所述内部节点(IN)之间。

4.根据权利要求3所述的测量电路，包括：

-第一运算放大器(A1)，其具有施加激励电压(Vforce)的第一输入(A1_in1)和第二输入(A1_in2)，

-第二运算放大器(A2)，其具有施加所述激励电压(Vforce)的第一输入(A2_in1)和第二输入(A2_in2)，

-其中，所述第一运算放大器(A1)的第二输入(A1_in2)连接到所述测量电路的输入端子(E)，

-其中，所述第二运算放大器(A2)的第二输入(A2_in2)连接到所述内部节点(IN)。

5.根据权利要求4所述的测量电路，包括：

-第二驱动器(Mp2)，

-其中，所述第二驱动器(Mp2)在所述第二电流路径(P2)中布置在所述测量电路的所述内部节点(IN)与所述第二对数压缩电路(LC2)之间，

-其中，所述第一驱动器(Mp1)由所述第一运算放大器(A1)控制，并且所述第二驱动器(Mp2)由所述第二运算放大器(A2)控制。

6.根据权利要求3所述的测量电路，包括：

-第二固定电压线路(VL2)，其提供所述电源电位(Vsupply)和所述地电位(Vground)之一，

-所述第二固定电压线路(VL2)，其被配置为当所述第一固定电压线路(VL1)提供所述电源电位(Vsupply)时提供所述地电位(Vground)，当所述第一固定电压线路(VL1)提供所述地电位(Vground)时提供所述电源电位(Vsupply)，

-其中，所述第二电流路径(P2)布置在所述第一固定电压线路和第二固定电压线路(VL1、VL2)之间，

-其中，所述第一对数压缩电路(LC1)布置在所述测量电路的所述输入端子(E)和所述第二固定电压线路(VL2)之间，

-其中，所述第二对数压缩电路(LC2)布置在所述测量电路的所述内部节点(IN)和所述第二固定电压线路(VL2)之间。

7.根据权利要求4所述的测量电路，包括：

-第三电流路径(P3)，其布置在所述第一固定电压线路和第二固定电压线路(VL1、VL2)之间，

-另一参考电阻器(Rreference’)，其布置在所述第三电流路径(P3)中，

-其中，所述第一对数压缩电路(LC1)布置在所述第一电流路径(P1)和所述第三电流路径(P3)的公共分支中，

-第三驱动器(Mp3)，其在所述第三电流路径(P3)中布置在所述另一参考电阻器(Rreference')与所述第一对数压缩电路(LC1)之间，

-其中，所述第三驱动器(Mp3)由所述第一运算放大器(A1)控制。

8.根据权利要求7所述的测量电路，包括：

-第一可控开关(Sw1)，其布置在所述测量电路的所述输入端子(E)和所述第一运算放大器(A1)的所述第二输入(A1_in2)之间，

-第二可控开关(Sw2)，其布置在所述第一运算放大器(A1)的所述第二输入(A1_in2)和所述第三电流路径(P3)之间，

-第三可控开关(Sw3)，其布置在所述第一运算放大器(A1)的输出(A1_out)和所述第一驱动器(Mp1)的控制端子(Mp1_G)之间，

-第四可控开关(Sw4)，其布置在所述第一运算放大器(A1)的输出(A1_out)和所述第三驱动器(Mp3)的控制端子(Mp3_G)之间。

9.根据权利要求8所述的测量电路，包括：

-控制电路(PC)，其控制所述第一可控开关和第二可控开关和第三可控开关和第四可控开关(Sw1、Sw2、Sw3、Sw4)，

-其中，所述控制电路(PC)被配置为使所述第一可控开关和第三可控开关(Sw1、Sw3)在各自的导通状态下操作，并且使所述第二可控开关和第四可控开关(Sw2、Sw4)在非导通状态下操作，以执行对所述第一输出信号和第二输出信号(Ve1、Ve2)的各自的电平的第一测量，

-其中，所述估计电路(EC)被配置为计算第一差信号(V_in)，所述第一差信号(V_in)具有取决于在所述第一测量期间测量的所述第一输出信号(Ve1)和所述第二输出信号(Ve2)的各自的电平之间的差的电平，

-其中，所述控制电路(PC)被配置为使所述第二可控开关和第四可控开关(Sw2、Sw4)在各自的导通状态下操作，并且使所述第一可控开关和第三可控开关(Sw1、Sw3)在非导通状态下操作，以执行对所述第一输出信号和第二输出信号(Ve1、Ve2)的各自的电平的第二测量，

-其中，所述估计电路(EC)被配置为计算第二差信号(V_ktq)，所述第二差信号(V_ktq)具有取决于在第二所述测量期间测量的所述第一输出信号和第二输出信号(Ve1、Ve2)的各自的电平之间的差的电平，

-其中，所述估计电路(EC)被配置为根据所述第一差信号(V_in)和所述第二差信号(V_ktq)之间的关系来确定所述电阻式气体传感器(GS)的电阻(Rs)。

10.根据权利要求6所述的测量电路，包括：

-第三电流路径(P3')和第四电流路径(P4')，它们连接在所述第一固定电压线路和第二固定电压线路(VL1，VL2)之间，

-电流镜(CM)，其用于在所述第三电流路径(P3')中提供第三电流(I3)，在所述第四电流路径(P4')中提供第四电流(I4)，所述第四电流(I4)是所述第三电流(I3)的N倍，

-第三对数压缩电路(LC3)，其用于提供第三输出信号(Ve3)，所述第三对数压缩电路(LC3)布置在所述第三电流路径(P3')中，

-第四对数压缩电路(LC4)，其用于提供第四输出信号(Ve4)，所述第四对数压缩电路(LC4)布置在所述第四电流路径(P4')中。

11.根据权利要求10所述的测量电路，

-其中，所述估计电路(EC)被配置为计算第一差信号(V_in)并计算第二差信号，所述第一差信号(V_in)具有取决于所述第一输出信号和第二输出信号(Ve1、Ve2)的各自的电平之间的差的电平，所述第二差信号具有取决于所述第三输出信号和第四输出信号(Ve3、Ve4)的各自的电平之间的差的电平，

-其中，所述估计电路(EC)被配置为根据所述第一差信号(V_in)和所述第二差信号(V_ktq)之间的关系来确定所述电阻式气体传感器(GS)的电阻(Rs)。

12.根据权利要求4所述的测量电路，包括：

-检测电路(DC1，DC2)，其用于检测所述电阻式气体传感器(GS)与所述测量电路的输入端子(E)的断开，

-其中，所述检测电路(DC1)被配置作为电压/电流比较器，其连接到所述第一运算放大器(A1)的输出(A1_out)并被配置为基于所述第一运算放大器(A1)的输出电压(A1_out)来生成其参考电压，或

-其中，所述检测电路(DC2)被配置作为比较器，其具有连接到所述第一运算放大器(A1)的输出(A1_out)的第一输入连接(DC_in1)，并且具有第二输入连接(DC_in2)，所述第二输入连接(DC_in2)用于施加在包括所述测量电路的芯片上生成的片上参考电压。

13.一种用于估计电阻式气体传感器的电阻的方法，包括：

-提供如权利要求1至12中任一项所述的测量电路，

-根据所述第一输出信号和第二输出信号(Ve1、Ve2)确定所述电阻式传感器(GS)的电阻(Rs)。

14.根据权利要求13所述的方法，

-其中，提供根据权利要求9所述测量电路(MC)，并且其中，所述第一对数电路(LC1)和所述第二对数电路(LC2)中的每一个被提供为二极管(Q1、Q2)，或者提供根据权利要求11所述测量电路(MC)，并且其中，所述第一对数电路(LC1)和所述第二对数电路(LC2)和所述第三对数电路(LC3)和所述第四对数电路(LC4)中的每一个被提供为二极管(Q1、Q2、Q3、Q4)，

-其中，所述电阻式传感器(GS)的电阻(Rs)根据所述第一差信号(V_in)和所述第二差信号(V_ktq)之间的关系来确定。

15.根据权利要求14所述的方法，

通过第一校准系数(η_c)和第二校准系数(η_o)来校正所述第一对数电路(LC1)和所述第二对数电路(LC2)的二极管(Q1、Q2)与理想特征行为的偏差，或所述第一对数电路(LC1)和所述第二对数电路(LC2)和所述第三对数电路(LC3)和所述第四对数电路(LC4)的二极管(Q1、Q2、Q3、Q4)与理想特征行为的偏差。

16.根据权利要求15所述的方法，

其中，所述电阻式传感器(GS)的电阻(Rs)根据所述第二校准系数(ηo)乘以所述参考电阻器(Rreference)的电阻(Rref)乘以反对数关系的项来确定，该反对数关系的项由所述第一校准系数(ηc)乘以所述第一差信号(V_in)和所述第二差信号(V_ktq)的商形成。

17.根据权利要求16所述的方法，

其中，为了确定所述第一校准系数(η_c)，将具有第一校准电阻(Rcal1)的第一校准电阻器外部应用于所述测量电路(MC)的输入端子(E)，并且将具有第二校准电阻(Rcal2)的第二校准电阻器外部应用于所述测量电路(MC)的输入端子(E)。

18.根据权利要求16所述的方法，

-其中，所述电阻式传感器(GS)的电阻(Rs)的范围被划分为第一电阻范围和至少第二电阻范围，

-其中，所述第一电阻范围在所述第一电阻范围的第一电阻(R11)和第二电阻(R12)之间延伸，

-其中，所述至少一个第二电阻范围在所述至少一个第二电阻范围的第一电阻(R21)和第二电阻(R22)之间延伸，

-其中，通过分配给所述第一电阻范围的所述第一校准系数和第二校准系数(η_c1、η_o1)的第一集合和分配给所述至少一个第二电阻范围的所述第一校准系数和第二校准系数(η_c2、η_o2)的至少一个第二集合来校正所述二极管(Q1、Q2、Q3、Q4)与所述理想特征行为的偏差。

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