CN110727306B - 半桥差分传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了半桥差分传感器。公开了包括第一分支和第二分支的半桥信号处理电路。第一分支包括第一刺激响应感测元件和布置成向第一感测元件提供电流的第一电流源。第二分支包括第二刺激响应感测元件和布置成向第二感测元件提供电流的第二电流源。第一分支和第二分支具有共同的端子。第一分支包括在电流源和第一刺激响应感测元件之间的第一节点，其配置成生成与第一感测元件上的电压相关的第一信号。第二分支包括第二电流源和第二刺激响应感测元件之间的第二节点，其配置成生成与第二感测元件上的电压相关的第二信号。从第一信号和第二信号之间的差值获得差分输出电压信号Vdiff。继而可以使用差分输出电压信号来确定Vdiff与传感器共模输出电压的比率。

Description

半桥差分传感器
技术领域
本发明总体地涉及在传感器中使用的半桥电路的领域，该传感器用于监测施加的刺激(诸如压力、力、加速度等)。
背景技术
本发明中考虑的类型的传感器用于例如汽车应用中，以用于监测施加的刺激，诸如压力(例如制动液压、排气压力或气缸压力)、力、加速度等，并且如在压力感测应用的情况中，通常包括感测元件以响应于目标刺激提供信号。此类传感器(例如压力传感器)的广泛适用的电表示是图片图1中所示出的半桥电路。
图1的半桥电路包括两个串联连接的感测元件，所述感测元件由它们的等效电阻(Rpos，Rneg)表示。在物理量值被测量(例如零压力)并假设理想传感器的标称条件下，这两个串联连接的感测元件具有相同的电阻值。当物理量值从该标称条件变化时，其中一个电阻按比例增加(图1中的Rpos)并且另一个(Rneg)按比例减小。在压力传感器的情况下，半桥电路行为相对于所测量的压力可以通过以下等式描述：
Rpos＝Rb*(1/2+((P/Pfs)*Sens)+Offs)
Rneg＝Rb*(1/2-((P/Pfs)*Sens)-Offs) (1)
其中Rb(＝Rpos+Rneg)表示等效半桥电阻，Pfs表示全刻度压力值，P表示所测量的压力，Sens表示传感器灵敏度，且Off表示传感器偏移量。等式(1)源自传感器的物理性质和客户规范。只有当桥电阻(Rpos+Rneg)与施加的压力无关时，等式(1)才有效。否则，Rpos和Rneg对压力具有非线性依赖性。然而，在大多数真实传感器中，非线性可以忽略不计，因此从下面的讨论中省略。
当使用这种类型的传感器时，困难在于找到最佳的驱动电路和信号读出电路。理想情况下，电路应具有差分输出信号(以便获得更好的噪声、电源抑制比(PSRR)和电磁兼容性(EMC)性能)和终身稳定的驱动能力。
如果使用全桥传感器，则本质上可获得差分输出信号。然而，半桥电路的使用可能是优选的，因为它的较低的成本和较小的物理尺寸。因此，有兴趣找到包括半桥电路的差分信号解决方案。
此类传感器的典型应用连接包括如图2中所示的整个半桥的电压源驱动(图2中的节点V电源)。输出被视为单端节点V输出。使用单端输出的进一步信号处理无法实现通常所需的噪声、PSRR和EMC性能要求。
因此，形成输出差分信号，如图3所示。输出差分信号被形成为传感器单端输出节点V传感器(Vsensor)与由例如电阻器分压形成的电源电压的一部分K*V电源(Vsupply)之间的差值。在US6765391中采用该方法。
然而，这种方法还有些问题没解决。首先，可以通过电阻分压(如图3所示)形成与电源电压成比例的电压K*V电源(Vsupply)，但是然后连接到半桥电源(图3中的V电源)的并联分支正在影响总电阻。对于许多压力传感器，等效半桥电阻随温度变化并用作温度信号处理的输入，并且所得到的输出信号进一步用于随温度校正压力处理特性(例如增益和偏移)。此外，可以在电阻器分压之前通过缓冲获得该部分K*V电源。在这种情况下，所应用的缓冲器的偏移和寿命稳定性限制了传感器信号处理的性能。另一个问题是电源电压的任何寿命变化都会影响输出差分电压的幅度，从而限制传感器信号处理的寿命性能。
因此，需要一种半桥电路，其中减少或甚至克服了这些缺点。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种半桥信号处理电路，其中避免或减少了上述缺点中的一个或多个。
上述目的通过根据本发明的解决方案来完成。
在第一方面，本发明涉及一种包括第一分支和第二分支的半桥信号处理电路。第一分支包括第一刺激响应感测元件和第一电流源，该第一电流源被布置成用于向第一感测元件提供电流。第二分支包括第二刺激响应感测元件和第二电流源，该第二电流源被布置成用于向第二感测元件提供电流，其中第一分支和第二分支具有共同的端子。第一分支包括第一电流源和第一刺激响应感测元件之间的第一节点，该第一节点被配置成用于生成与第一感测元件上的电压相关的第一信号，并且第二分支包括第二电流源和第二刺激响应感测元件之间的第二节点，该第二节点被配置成用于生成与第二感测元件上的电压相关的第二信号。从第一信号和第二信号之间的差值获得差分输出电压信号。
所提出的解决方案确实允许满足如上所述的要求。所提出的电路产生经由所述第一信号和所述第二信号获得的差分输出信号。
在优选实施例中，第一电流源和第二电流源是自适应的。
在本发明的实施例中，半桥信号处理电路包括读出单元，该读出单元被布置成用于接收第一信号和第二信号并用于读出从第一信号和第二信号导出的共模电压。有利地，该电路还包括反馈控制单元，该反馈控制单元被布置成用于接收所述共模电压和共模电压的目标范围的指示，并用于产生到第一电流源和第二电流源的反馈控制信号。基于共模电压和目标范围的比较来确定反馈控制信号。
在优选的实施例中，半桥信号处理电路被布置成用于确定差分输出电压信号与从第一信号和第二信号导出的共模电压的比率。有利地，该电路包括用于计算所述比率的计算装置。该计算装置可以用硬件或用软件来实现。
在某些实施例中，半桥信号处理电路被布置成用于使用从第一信号和第二信号导出的共模电压作为参考电压。
在另一个优选实施例中，半桥信号处理电路在另一分支中包括参考电阻器和另一电流源，该另一电流源被布置成用于向参考电阻器提供电流，其中另一分支包括另一电流源和参考电阻器之间的另一节点，该另一节点被配置成用于输出表示参考电阻器上的电压的另一信号。
在另一实施例中，该另一电流源被布置成用于也接收反馈控制信号。
在本发明的实施例中，由所述第一刺激响应感测元件和所述第二刺激响应感测元件形成的半桥等效电阻是温度依赖的。
在另一实施例中，半桥信号处理电路被布置成用于计算另一信号(Vint)与传感器共模输出电压的比率。
在本发明的实施例中，电路包括用于对共模电压进行滤波的滤波器，从而降低噪声的影响。
出于对本发明以及相对现有技术所实现的优势加以总结的目的，上文已描述了本发明的某些目的和优势。当然，应理解，不一定所有此类目的或优势都可根据本发明的任何特定实施例来实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本发明可按实现或优化如本文中所教导的一个优势或一组优势的方式来具体化或执行，而不一定要实现如本文可能教导或建议的其他目的或优势。
参考本文以下描述的(多个)实施例，本发明的上述和其他方面将是显而易见的和可阐明的。
附图说明
作为示例，现在将参考附图进一步描述本发明，附图中相同的附图标记指代各附图中的相同的要素。
图1示出了半桥电路的常规表示。
图2示出了此类传统半桥电路的典型连接。
图3示出了布置成用于输出差分信号的现有技术半桥电路。
图4示出了根据本发明的半桥电路的方案。
图5示出了具有读出电路和反馈回路的实施例。
图6示出了确定比率Vdiff/Vcm的一种可能方式。
图7示出了确定比率Vdiff/Vcm的替代方式。
图8示出了具有附加分支的本发明的半桥电路的实施例。
图9示出了具有附加的分支和反馈控制块的本发明的半桥电路的实施例。
图10示出了确定比率Vint/Vcm的方式。
图11示出了确定比率Vint/Vcm的另一种方式。
具体实施方式
将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明实施例与本文中所描述或图示的相比能够以其他顺序操作。
应注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中对本领域普通技术人员将是显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明方面可以存在比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
应当注意的是，在描述本发明的某些特征或方面时，特定术语的使用不应当被视作暗示该术语在本文中被重新定义为受限于包括该术语所关联的本发明的诸特征或诸方面的任何特定特性。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。
本发明提出了一种用于连接和驱动半桥传感器的新颖方法。图4示出了根据本发明实施例的半桥电路。该电路包括两个分支，这两个分支在一端处接收相应的电压电源信号(V1，V2)作为刺激信号。在另一端，两个分支在端子10处连接到公共电位，在某些实施例中，公共电位可以是地电位。每个分支都设置有刺激响应桥元件。这些元件具有相反符号的标称上(nominally)相等的刺激灵敏度。分别在第一分支和第二分支的另一端处的两个刺激响应桥元件具有共同的连接到如图4所示出的公共电位的端子10。在图4的实施例中，桥元件分别是表示为Rpos和Rneg的电阻器。当施加相同的刺激信号时，第一分支中的Rpos的电阻增加一定量，而另一路径中的电阻器Rneg的电阻减小基本上相同的量。电流源(Isupply1)被布置为将电流施加到包括Rpos的半桥电路分支。由此产生桥元件Rpos上的电压降Vp。类似地，另一个电流源(Isupply2)将电流馈送到包含Rneg的分支，从而在桥元件Rneg上产生电压降Vm。以这种方式，半桥电路经由分别在端子21处获得的电压Vp和在端子22处获得的电压Vm之间的差值，固有地提供差分输出电压信号(Vdiff)。
在图5所示的实施例中，半桥电路被布置用于执行传感器输出共模电压控制。传感器输出共模电压读出电路(15)被添加到半桥电路。读出电路将电压Vp和Vm作为输入，并输出读出共模电压Vcm＝(Vp+Vm)/2。接着将该共模电压馈送到反馈控制单元(20)。反馈控制单元还接收共模电压的目标范围作为输入。替代地，反馈控制单元包含用于共模电压的预定的一组合适值。反馈控制单元控制共模电压是否落在目标范围内。如果需要，调整电源电流源的值以使共模电压在其目标范围内。
可以通过处理传感器差分输出电压Vdiff与传感器共模输出电压Vcm的比率来确定物理量(例如压力)的幅度。这可以用以下等式表示，由此利用表达式(1)
Vdiff＝Vp-Vm
＝Isupply1*Rpos–Isupply2*Rneg
＝Isupply1*[Rb*(1/2+((P/Pfs*Sens)+Offs)]-Isupply2*[Rb*(1/2-((P/Pfs*Sens)-Offs)]
可以使用动态元件匹配技术(诸如至少两相斩波)，这允许假设两个电源电流源Isupply1和Isupply2相等。以两相斩波为例，有两个换向相位。在相位1中，来自Isupply1的电流通过感测元件1，并且来自Isupply2的电流通过感测元件2。在相位2中，Isupply2通过感测元件1并且Isupply1通过感测元件2。然后平均两个相位的样本。因此，如果Isupply1＝I且Isupply2＝I+ε，则两个相位中的样本值可表达为：
Sample_Vdiff_phase1＝Rpos*I–Rneg*(I+ε)
Sample_Vdiff_phase2＝Rpos*(I+ε)–Rneg*I
Sample_Vcm_phase1＝Rpos*I+Rneg*(I+ε)
Sample_Vcm_phase2＝Rpos*(I+ε)+Rneg*I
对于比率P比率＝Vdiff/Vcm，可获得：
P比率＝(Sample_Vdiff_phase1+Sample_Vdiff_phase2)/(Sample_Vcm_phase1+Sample_Vcm_phase2)
＝(Rpos–Rneg)/(Rpos+Rneg)＝2*[(P/Pfs)*Sens+Offs]
在应用另一种动态元素匹配技术的情况下，仍然可以做出假设Isupply1＝Isupply2＝I，使得：
P比率＝Vdiff/Vcm＝(Rpos–Rneg)/(Rpos+Rneg)＝2*[(P/Pfs)*Sens+Offs]
确定比率P比率＝V输出/Vcm＝Vdiff/Vcm的一些可能方式分别在图6和7中示出。在图6中，共模电压Vcm在框15中确定，并通过框27处理，框27表示具有参考电压Vref的A/D转换器(ADC1)。Vinp和Vinm之间的差值Vdiff通过框29处理，该框29包括具有相同参考电压Vref的另一个ADC。在另一个实施例中，它通过与用于Vcm的相同的ADC进行处理，但是在不同的时间段内。再次使用相同的参考电压Vref。接下来在某些实施例中是数字状态机，或者在其他实施例中，是SW实现，以实现两个ADC结果之间的数字除法，从而产生比率Vdiff/Vcm。在图7所示的实施例中，采用不同的方法：参考电压现在等于Vcm并用于通过ADC处理Vdiff。ADC输出直接产生感兴趣的比率。
可以通过应用校准来补偿传感器灵敏度和偏移缺陷。有许多方法可以执行此类校准。在一个示例中，使用四个温度和两个压力。获得压力增益和偏移校正，用三阶过温补偿。这里可以容易地应用的温度补偿技术在本领域中是公知的，例如在论文“A TemperatureCompensation Algorithm of Piezoresistive Pressure Sensor and SoftwareImplementation(压阻式压力传感器的温度补偿算法和软件实现)”(D.Xu等人，IEEE机电一体化和自动化会议(Proc.IEEE Conf.on Mechatronics and Automation)，2013年8月4日至8月7日，日本高松)和“Design of temperature compensation for silicon-sapphirepressure sensor(硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿设计)”(H.Manguo等人，IEEE成像系统和技术2017国际会议(IEEE Int’l Conf.on Imaging Systems and Techniques 2017)，2017年10月18日至10月20日)中。
当使用所提出的半桥电路时所需的信号处理对传感器电源电路和传感器读出电路的缺陷和寿命变化不敏感。由于使用差分传感器输出信号，该电路可以根据需要对EMC、PSRR和噪声是鲁棒的。
在进一步的实施例中，可以进一步对传感器共模输出电压进行滤波，而不会对经处理的信号的带宽有很大影响。以这种方式，可以减小半桥等效电阻Rb测量期间温度通道上的噪声。
在另一方面，本发明提出了一种用于处理半桥等效电阻Rb的解决方案，例如，在压力传感器中该等效电阻Rb可以取决于温度。然后，处理后的温度可用于传感器灵敏度和偏移的温度补偿。相应的半桥电路的实施例如图8所示。存在附加的电流源Iint，与Isupply1和Isupply2匹配，该电流源Iint在参考电阻器Rint上提供电流，从而产生电压降Vint。
反馈控制机制可以用于将Isupply1和Isupply2与如上所述的匹配的Iint一起控制，以便在温度上获得相对稳定的Vcm，其中Vint由于反馈控制所强制的Iint变化而随着温度变化。以这种方式，为Vcm和Vint信号提供更大的幅度，这更适合于进一步处理。图9说明了这种方案。如果不使用反馈控制机制(例如图8中)并且所有电流源随温度都是稳定的，则对于低Rb，Vcm和Vint信号幅度将相对较小，这在某些情况下可能是进一步处理的障碍。
内部参考电阻器Vint上的电压降与传感器共模输出电压之比(T比率)被处理。这可以描述如下：
Vint＝Iint*Rint
Vcm＝(Vp+Vm)/2＝(Isupply1*Rpos+Isupply2*Rneg)/2
Vcm＝(Isupply1*[Rb*(1/2+(P/Pfs*Sens)+Offs)]+Isupply2*[Rb*(1/2-((P/Pfs*Sens)-Offs))])/2
再次，可以应用可选的动态元素匹配技术，使得可以假设Iint和Isupply1、Isupply2之间的固定比率，被标记为I比率。对于T比率，内部参考电阻器Vint上的电压降与传感器共模输出电压之比，可以写成：
T比率＝Vint/Vcm＝I比率*Rint/(Rb/2)
本发明使用校准来补偿I比率和Rint缺陷。此信号处理仅对I比率和Rint的寿命变化敏感。
确定比率T比率＝Vint/Vcm的一些可能方式分别在图10和图11中示出。在图10中，共模电压Vcm在框15中确定，并通过框27处理，框27表示具有参考电压Vref的A/D转换器(ADC1)。通过包括具有相同参考电压Vref的另一ADC的框29处理参考电阻器上的电压降。在另一个实施例中，它通过与用于Vcm的相同的ADC进行处理，但是在不同的时间段内。再次使用相同的参考电压Vref。接下来在某些实施例中是数字状态机，或者在其他实施例中，是软件实现，以实现两个ADC结果之间的数字除法，从而产生比率Vint/Vcm。在图11所示的实施例中，采用不同的方法：参考电压现在等于Vcm并用于通过ADC处理Vint。ADC输出直接产生感兴趣的比率。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地说明并描述了本发明，但是此类说明和描述被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。前面的描述具体说明了本发明的某些实施例。然而，应当理解，不管前述内容在文本中显得如何详细，本发明都能以许多方式实现。本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、本公开和所附权利要求，本领域技术人员可在实践要求保护的发明时理解和实施所公开的实施例的其他变体。在权利要求中，单词包括摂不排除其他要素或步骤，并且不定冠词一(“a”或“an”)不排除复数。单个处理器或其他单元可实现权利要求书中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可被存储/分布在合适的介质(诸如，与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质)上，但也能以其他形式(诸如，经由因特网或者其他有线或无线电信系统)来分布。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (11)

1.信号处理电路，包括第一分支和第二分支，其中所述第一分支被布置成用于在一端处接收第一电压电源信号，并且所述第一分支包括第一刺激响应感测元件(Rpos)和第一电流源(Isupply1)，所述第一电流源被布置成用于向所述第一感测元件提供电流，并且所述第二分支被布置成用于在一端处接收第二电压电源信号，并且所述第二分支包括第二刺激响应感测元件(Rneg)和第二电流源(Isupply2)，所述第二电流源被布置成用于向所述第二感测元件提供电流，其中在所述第一分支的另一端处的所述第一刺激响应感测元件和在所述第二分支的另一端处的所述第二刺激响应感测元件具有共同的端子(10)以连接到公共电位，以及
其中所述第一分支包括在所述第一电流源和所述第一刺激响应感测元件之间的第一节点，所述第一节点被配置成用于生成与所述第一感测元件上的电压相关的第一信号(Vp)，
其中所述第二分支包括在所述第二电流源和所述第二刺激响应感测元件之间的第二节点，所述第二节点被配置成用于生成与所述第二感测元件上的电压相关的第二信号(Vm)，
所述信号处理电路进一步被布置成用于从所述第一信号与所述第二信号之间的差值获得差分输出电压信号(Vdiff)，并且所述信号处理电路包括读出单元(15)和反馈控制单元(20)，所述读出单元(15)被布置成用于接收所述第一信号和所述第二信号并用于读出从所述第一信号和所述第二信号导出的共模电压，所述反馈控制单元(20)被布置成用于接收所述共模电压和所述共模电压的目标范围的指示，并用于产生到所述第一电流源和所述第二电流源的反馈控制信号。
2.如权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述第一电流源和所述第二电流源是自适应的。
3.如权利要求1或2所述的信号处理电路，其中所述反馈控制信号是基于所述共模电压和所述目标范围的比较来确定的。
4.如前述权利要求中任一项所述的信号处理电路，所述信号处理电路被布置成用于确定所述差分输出电压信号与从所述第一信号和所述第二信号导出的共模电压的比率。
5.如权利要求4所述的信号处理电路，包括用于计算所述比率的计算装置。
6.如前述权利要求中任一项所述的信号处理电路，所述信号处理电路被布置成使用从所述第一信号和所述第二信号导出的所述共模电压作为参考电压。
7.如前述权利要求中任一项所述的信号处理电路，包括在另一分支中的参考电阻器(Rint)和另一电流源(lint)，所述另一电流源(lint)被布置成用于向所述参考电阻器提供电流，其中所述另一分支包括在所述另一电流源和所述参考电阻器(Rint)之间的另一节点，所述另一节点被配置成用于输出表示所述参考电阻器(Rint)上的电压的另一信号(Vint)。
8.如权利要求7所述的信号处理电路，其特征在于，所述电流源(lint)被布置成用于接收所述反馈控制信号。
9.如权利要求7或8所述的信号处理电路，所述信号处理电路被布置成用于计算所述另一信号(Vint)与所述传感器共模输出电压的比率。
10.如前述权利要求中任一项所述的信号处理电路，其特征在于，由所述第一刺激响应感测元件和所述第二刺激响应感测元件形成的半桥等效电阻是温度相关的。
11.如前述权利要求中任一项所述的信号处理电路，包括用于对所述共模电压进行滤波的滤波器。
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