CN110071696A - 一种可用于温度传感器的连续时间积分器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种连续时间积分器,包含:放大器,其负输入端通过n条并列的线路连接于Vm节点,其正输入端连接于Vp节点;n条并列的线路的每个线路均包含一个支路开关和一个电阻;放大器的负输入端通过积分电容来连接于放大器的输出端;电阻轮转控制模块,连接于n条线路的所有支路开关,用于控制n条线路的每一个支路开关的通断;Vp、Vm节点接入第一输入信号或第二输入信号;当第一输入信号接入积分器时,电阻轮转控制模块使n条线路上所有支路开关闭合;当第二输入信号接入积分器时,电阻轮转控制模块使n条线路上只有一条支路上的支路开关闭合。本发明的连续时间积分器应用于一种温度传感器,显著提高了温度传感器的精度。
Description
技术领域
本发明公开了一种可用于温度传感器的连续时间积分器,该发明属于集成电路设计领域。
背景技术
在高精度温度传感器中,由于系统精度要求高,因此对电路中元器件的精度要求也同样较高。
在温度传感器的信号采样中,需要对其中正温度系数的信号进行一定比例放大,从而保证其温度系数与负温度系数的信号温度系数相等。在高精度温度传感器中,该信号放大的误差必须在精度要求范围之内。由于电阻的匹配精度一般只有10bit,因此当放大精度要求高于10bit时,采用电阻匹配实现放大的方式不再适合,所以通常采用电容匹配放大。
采用电容的方式实现信号的放大,即为常见的开关电容电路。然而在开关电容电路中,每个周期内都要进行采样和保持两个相位,在每个相位之间切换时,都有开关的闭合,此时会引起电荷注入和时钟溃通现象,从而在电容上叠加额外电荷,引起信号误差;开关电容电路在采样和保持时,需要不断对采样电容充放电,会产生动态功耗;除此之外,为了保证电容之间的匹配精度,电容的面积通常不会太小,会占用不小的面积资源。
发明内容
为了克服上述背景技术当中存在的缺陷,本发明通过以下技术方案来实现。
一种连续时间积分器,包含:
放大器,其负输入端通过n条并列的线路连接于Vm节点,其正输入端连接于Vp节点;所述n条并列的线路的每个线路均包含一个支路开关和一个电阻;所述放大器的负输入端通过积分电容来连接于放大器的输出端;
电阻轮转控制模块,连接于n条线路的所有支路开关,用于控制所述n条线路的每一个支路开关的通断;
所述Vp、Vm节点接入第一输入信号或第二输入信号;
当第一输入信号接入Vp、Vm节点时,所述电阻轮转控制模块使n条线路上所有支路开关闭合;
当第二输入信号接入Vp、Vm节点时,所述电阻轮转控制模块使n条线路上只有一条支路上的支路开关闭合,其他支路上的支路开关都断开。
优选地,所述第一输入信号是第一温度信号对应的电压;
所述第二输入信号是第一温度信号与第二温度信号的电压差。
优选地,所述积分器设置在温度传感器内,对第一温度信号对应的电压、第一温度信号与第二温度信号的电压差按比例进行积分。
一种带连续时间积分器的温度传感器,包含所述的连续时间积分器,所述的连续时间积分器设置在Δ-Σ模数转换器的前端;
所述Δ-Σ模数转换器的第一输入端是连续时间积分器的Vp端,其通过第一控制开关与第一温度信号VBE连接,第二输入端是连续时间积分器的Vm端,其通过第二控制开关与第二温度信号连接;
且,所述连续时间积分器Vp、Vm节点接入所述第一温度信号VBE的负极和正极,或者Vp、Vm节点接入第一温度信号VBE与第二温度信号的差值ΔVBE的正负极;
当ΔVBE输入放大器时,所述电阻轮转控制模块使n条线路上所有支路开关闭合;
当VBE输入放大器时,所述电阻轮转控制模块使n条线路上的支路开关依次闭合,其中任意一条线路的支路开关闭合时,其他支路上的支路开关都断开;所述连续时间积分器对第一温度信号VBE、第一温度信号与第二温度信号的电压差ΔVBE按比例进行积分。
优选地,当ΔVBE正极接Vp节点,ΔVBE的负极接Vm节点时,积分电容上的积分电流为
在积分时间Tint内,积分电容上的电荷积累量为
优选地,当VBE正极接Vm节点,VBE的负极接Vp节点时,所述电阻轮转控制模块每过一个Tint,按照顺序来换一个线路的支路开关闭合,其他支路开关则断掉;
当一个积分时间为Tint时,积分电容上的积分电流为
在Tint内,积分电容上的电荷积累量为
当n个Tint后,VBE采样的积分电容上电荷变化为
优选地,在n个积分时间内,ΔVBE采样的积分电容电荷变化为
在相同时间内,ΔVBE采样和VBE采样导致积分电容上电荷变化的比例关系为
优选地,进一步包含降采样滤波器,其输入端与所述连续时间Δ-Σ模数转换器的输出端连接。
优选地,进一步包含:
第一三极管Q1,用于通过温度变化产生的偏置电流Ibias1,且在其发射极与基极之间产生的电压差是所述第一温度信号;
第二三极管Q2,用于通过温度变化产生的偏置电流Ibias2,且在其发射极与基极之间产生的电压差是所述第二温度信号。
优选地,Δ-Σ模数转换器对ΔVBE和VBE温度信号进行采样后得到的一个信号如下式所示,
式中,第一温度信号VBE为负温度系数的信号,第一温度信号与第二温度信号的差值ΔVBE为正温度系数的信号;α为比例系数,使得ΔVBE乘以α之后与VBE信号的温度系数大小相等;
且n=α。
本发明的有益效果在于在电阻型连续时间采样的基础上,通过动态匹配的方式,有效消除电阻匹配精度有限带来的误差,提高信号放大的精度,从而使得连续时间采样电路能很好地应用于高精度温度传感器中;在连续采样中,电阻上的电流都是用于对积分电容进行充放电,该部分功耗与开关电容电路中的积分电容上的功耗相等,而连续时间积分器没有采样电容上的功耗,因此功耗会较小;另外,同等效果下,采用本发明的积分器电阻面积要比开关电容积分器的电容要小。
附图说明
图1为温度传感器架构示意图;
图2为本发明提供的连续时间积分器;
图3为本发明积分器在ΔVBE采样时的工作原理;
图4为本发明积分器在VBE采样时的工作原理;
图5为电阻轮转模块控制支路开关轮转时序。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明,但不以任何方式限制本发明的范围。
图1是温度传感器的结构示意图,其中两个偏置电流Ibias1和Ibias2分别流过三极管Q1和Q2,其中Q1产生一个温度信号VBE,该信号为Q1的发射极与基极电压差;Q1和Q2两个三极管的温度信号差产生了另一个温度信号ΔVBE。
Δ-Σ模数转换器的前端设置连续时间积分器,Δ-Σ模数转换器的第一输入端是连续时间积分器的Vp端,其通过第一控制开关与第一温度信号VBE连接;Δ-Σ模数转换器的第二输入端是连续时间积分器的Vm端,其通过第二控制开关与第二温度信号连接;所述Δ-Σ模数转换器(Sigma delta ADC)负责对VBE和ΔVBE采样,并将采样得到的信号进行量化得到数字码流BS(bit stream),数字码流经过降采样滤波器(decimation filter)滤波后,得到量化后的温度信号。
图2为本发明中采用的积分器电路结构,其中放大器的负输入端通过n条并列的线路连接于Vm节点,其正输入端连接于Vp节点;所述n条并列的线路的每个线路均包含一个支路开关和一个电阻;所述放大器的负输入端通过积分电容来连接于放大器的输出端;并且电阻轮转(resistor rotation)控制模块与所述n条线路的支路开关连接,用于控制所述n条线路的每一个支路开关的通断。所述Vp、Vm节点分别接入VBE的负正极或ΔVBE的正负极。
设置在Δ-Σ模数转换器前端的积分器将采样数据处理之后,输出给一个比较器;当积分器输出大于某个被比较电压时,BS=1;当积分器输出电压小于某个被比较电压时,BS=0;且当BS=0时,第一控制开关和第二控制开关均都闭合,积分器采样ΔVBE;当BS=1时,仅第一控制开关闭合,积分器采样VBE;Δ-Σ模数转换器分别在BS=0和BS=1时对ΔVBE和VBE温度信号进行采样后,会得到一个信号如下式所示,
式中VBE为负温度系数的信号,ΔVBE为正温度系数的信号,为了保证ΔVBE和VBE信号的温度系数大小相等,需要对ΔVBE乘以一个比例系数α,保证式(1)中的分母与温度无关,即没有温度系数,而分子是一个正温度系数的信号,则式(1)是一个与温度成正比的信号,因此可以用来表示温度。因此在两个信号的积分过程中,两个信号需要按照不同的比例进行积分。
如图3所示,当ΔVBE正极接Vp节点,ΔVBE的负极接Vm节点时,电阻轮转控制模块使n条线路上所有支路开关闭合。
此时积分电容上的积分电流为
假设积分时间为Tint,则在积分时间内,积分电容C上的电荷积累量为
当VBE正极接Vm节点,VBE的负极接Vp节点时,电阻轮转控制模块按照一个积分时间依次使n条线路上只有一条支路上的支路开关闭合,其他支路上的支路开关都断开;如附图4所示,电阻轮转控制模块的作用是保证在每过一个积分时间Tint,按照顺序来换一个线路的支路开关闭合,其他支路开关则断掉,且以n个积分时间为一个轮回。例如,第一个积分时间Tint内,仅使支路开关S1闭合,第二个积分时间Tint内,仅使支路开关S2闭合,以此类推,直到第n个积分时间Tint内,仅使支路开关Sn闭合;然后再循环。通过电阻轮转模块控制支路开关的信号如图5所示,其中第一行表示时钟,第二行开始依次分别表示支路开关S1,S2到Sn的信号,其中高电平信号表示控制开关闭合。
此时积分电容上的积分电流为
同样,当一个积分时间为Tint时,在Tint内,积分电容C上的电荷积累量为
当n个Tint后,VBE采样的积分电容上电荷变化为
在同样长的时间内,ΔVBE采样的积分电容电荷变化为
结合式(6)和式(7)可以看出,相同时间内,ΔVBE采样和VBE采样导致积分电容上电荷变化的比例关系为
从式(8)中可以看出,整个采样过程中,ΔVBE的采样相对于VBE采样来说,信号被放大了n倍,且由于对电阻轮转的方式采样,各电阻之间的匹配误差被消除,因此电阻匹配误差对图2的积分器没有影响,所以该电路可用于高精度温度传感器。
当n=α时,即可实现式(1)中ΔVBE和VBE信号的比例要求。
上面分析中,R1,R2,…,Rn可以表示各支路的电阻,也可以表示各支路上电路与支路开关的导通电阻值的和,这样,各个支路开关的电阻以及支路开关电阻的失配都考虑在内,从而不会产生额外的误差。
在开关电容电路中,每个采样周期内,开关翻转一次;而图2中连续时间积分器内,没有采样周期的要求,因此这里Tint可以是多个开关电容电路的采样周期长度,这样减少了开关切换的次数,减少了时钟溃通和电荷注入引入的误差。
再回到图2中,该电路在积分过程中,所有电荷都转换为积分电容上的电荷,而在开关电容电路中,除了积分电容上有动态功耗外,采样电容上也有相应的动态功耗,因此该结构比开关电容电路的功耗要低。
最后,采用电阻轮转的方式,对电阻精度要求可以降低,同等效果条件下,电阻面积比开关电容电路的采样电容面积要小,因此该结构还具有节省电路面积的优点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种连续时间积分器,其特征在于,包含:
放大器,其负输入端通过n条并列的线路连接于Vm节点,其正输入端连接于Vp节点;所述n条并列的线路的每个线路均包含一个支路开关和一个电阻;所述放大器的负输入端通过积分电容来连接于放大器的输出端;
电阻轮转控制模块,连接于n条线路的所有支路开关,用于控制所述n条线路的每一个支路开关的通断;
所述Vp、Vm节点接入第一输入信号或第二输入信号;
当第一输入信号接入Vp、Vm节点时,所述电阻轮转控制模块使n条线路上所有支路开关闭合;
当第二输入信号接入Vp、Vm节点时,所述电阻轮转控制模块使n条线路上只有一条支路上的支路开关闭合,其他支路上的支路开关都断开。
2.如权利要求1所述的一种连续时间积分器,其特征在于,所述第一输入信号是第一温度信号对应的电压;
所述第二输入信号是第一温度信号与第二温度信号的电压差。
3.如权利要求2所述的一种连续时间积分器,其特征在于,所述积分器设置在温度传感器内,对第一温度信号对应的电压、第一温度信号与第二温度信号的电压差按比例进行积分。
4.一种带连续时间积分器的温度传感器,其特征在于,包含如权利要求1所述的连续时间积分器,所述的连续时间积分器设置在Δ-Σ模数转换器的前端;
所述Δ-Σ模数转换器的第一输入端是连续时间积分器的Vp端,其通过第一控制开关与第一温度信号VBE连接,第二输入端是连续时间积分器的Vm端,其通过第二控制开关与第二温度信号连接;
且,所述连续时间积分器Vp、Vm节点接入所述第一温度信号VBE的负极和正极,或者Vp、Vm节点接入第一温度信号VBE与第二温度信号的差值ΔVBE的正负极;
当ΔVBE输入放大器时,所述电阻轮转控制模块使n条线路上所有支路开关闭合;
当VBE输入放大器时,所述电阻轮转控制模块使n条线路上的支路开关依次闭合,其中任意一条线路的支路开关闭合时,其他支路上的支路开关都断开;所述连续时间积分器对第一温度信号VBE、第一温度信号与第二温度信号的电压差ΔVBE按比例进行积分。
5.如权利要求4所述的一种带连续时间积分器的温度传感器,其特征在于,当ΔVBE正极接Vp节点,ΔVBE的负极接Vm节点时,积分电容上的积分电流为
在积分时间Tint内,积分电容上的电荷积累量为
。
6.如权利要求5所述的一种带连续时间积分器的温度传感器,其特征在于,当VBE正极接Vm节点,VBE的负极接Vp节点时,所述电阻轮转控制模块每过一个Tint,按照顺序来换一个线路的支路开关闭合,其他支路开关则断掉;
当一个积分时间为Tint时,积分电容上的积分电流为
在Tint内,积分电容上的电荷积累量为
当n个Tint后,VBE采样的积分电容上电荷变化为
7.如权利要求6所述的一种带连续时间积分器的温度传感器,其特征在于,在n个积分时间内,ΔVBE采样的积分电容电荷变化为
在相同时间内,ΔVBE采样和VBE采样导致积分电容上电荷变化的比例关系为
8.如权利要求4所述的一种带连续时间积分器的温度传感器,其特征在于,进一步包含降采样滤波器,其输入端与所述连续时间Δ-Σ模数转换器的输出端连接。
9.如权利要求8所述的一种带连续时间积分器的温度传感器,其特征在于,进一步包含:
第一三极管Q1,用于通过温度变化产生的偏置电流Ibias1,且在其发射极与基极之间产生的电压差是所述第一温度信号;
第二三极管Q2,用于通过温度变化产生的偏置电流Ibias2,且在其发射极与基极之间产生的电压差是所述第二温度信号。
10.如权利要求7所述的一种带连续时间积分器的温度传感器,其特征在于,Δ-Σ模数转换器对ΔVBE和VBE温度信号进行采样后得到的一个信号如下式所示,
式中,第一温度信号VBE为负温度系数的信号,第一温度信号与第二温度信号的差值ΔVBE为正温度系数的信号;α为比例系数,使得ΔVBE乘以α之后与VBE信号的温度系数大小相等;
且n=α。
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