CN110071696B - 一种可用于温度传感器的连续时间积分器 - Google Patents

一种可用于温度传感器的连续时间积分器 Download PDF

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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

一种可用于温度传感器的连续时间积分器
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
Figure BDA0002038980610000021
在积分时间Tint内，积分电容上的电荷积累量为
Figure BDA0002038980610000022
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
Figure BDA0002038980610000031
在Tint内，积分电容上的电荷积累量为
Figure BDA0002038980610000032
当n个Tint后，VBE采样的积分电容上电荷变化为
Figure BDA0002038980610000033
优选地，在n个积分时间内，ΔVBE采样的积分电容电荷变化为
Figure BDA0002038980610000034
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
Figure BDA0002038980610000035
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，
Figure BDA0002038980610000041
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，
Figure BDA0002038980610000051
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
Figure BDA0002038980610000052
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
Figure BDA0002038980610000053
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
Figure BDA0002038980610000061
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
Figure BDA0002038980610000062
当n个Tint后，VBE采样的积分电容上电荷变化为
Figure BDA0002038980610000063
在同样长的时间内，ΔVBE采样的积分电容电荷变化为
Figure BDA0002038980610000064
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
Figure BDA0002038980610000065
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 (9)

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条线路上所有支路开关闭合；
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；
其中，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。
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。
3.一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。
4.如权利要求3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
Figure FDA0004191636990000021
在积分时间Tint内，积分电容上的电荷积累量为
Figure FDA0004191636990000022
其中，R1，R2，…，Rn分别为第一、第二、…、第n条支路上的电阻，或者为第一、第二、…、第n条支路上的电路与支路开关的导通电阻值的和。
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
Figure FDA0004191636990000023
其中，Ri为支路开关闭合的支路上的电阻，或者为支路开关闭合的支路上的电路与支路开关的导通电阻值的和；
在Tint内，积分电容上的电荷积累量为
Figure FDA0004191636990000024
当n个Tint后，VBE采样的积分电容上电荷变化为
Figure FDA0004191636990000025
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，在n个积分时间内，ΔVBE采样的积分电容电荷变化为
Figure FDA0004191636990000031
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
Figure FDA0004191636990000032
7.如权利要求3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Δ-Σ模数转换器的输出端连接。
8.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，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。
9.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，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，
Figure FDA0004191636990000033
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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