CN110798220A - 一种温度传感器的模数转换方法及模数转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度传感器的模数转换方法，以模拟前端电路自身生成的与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与温度成负相关的模数转换器参考电压信号之间的比值计算得到模数转换器的量化输出值，由于模数转换器输入信号的值小于模数转换器参考电压信号的值，满足一般应用中输入信号小于参考信号的要求，因此可以兼容多传感器系统其他信号的测量，并且选用了温度特性已知的电压信号来生成量化输出值，兼顾了参考电压的温度特性对温度测量结果准确性的影响，提高了感温精度。综上，本发明提供的方案兼顾了温度传感器的模数转换问题的通用性和高精度。本发明还公开一种温度传感器的模数转换装置，具有上述有益效果，在此不再赘述。

Description

一种温度传感器的模数转换方法及模数转换装置
技术领域
本发明涉及电子电路领域，特别是涉及一种温度传感器的模数转换方法及模数转换装置。
背景技术
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，其所提供的温度信号可以有多种用途，在电子电路中十分常见。而除了温度传感器，在电子电路以及芯片设计中，通常也需要监测获取其他电学信息，如电池电压、其他片内或片外直流、低频信号等，常常涉及具有多种类型的传感器。为了降低设计成本，在多传感器系统中，复用读出接口电路是一种常用方法。
但是现有技术中的模数转换方案，如果想具有通用性，能够和其他类型的传感器的独处接口复用，则需要牺牲温度信号转换的精度，如果想拥有高精度，则往往需要专门为温度转换设计的模数转换器，不易与其他类型的信号转换复用，增加了设计成本。
因此，提出一种兼具通用性和高精度的温度传感器的模数转换方案，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度传感器的模数转换方法及模数转换装置，在温度传感器的模数转换问题上提供了兼具通用性和高精度的解决方案。
为解决上述技术问题，本发明提供一种温度传感器的模数转换方法，包括：
基于模拟前端电路，生成与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与所述温度成负相关的模数转换器参考电压信号；其中，所述模数转换器输入信号的值小于所述模数转换器参考电压信号的值；
取所述模数转换器输入信号的值与所述模数转换器参考电压信号的值的比值，对所述比值进行运算得到量化输出值。
可选地，所述对所述比值进行运算得到量化输出值，具体为：
对所述比值进行放大运算得到所述量化输出值。
可选地，所述量化输出值具体由以下公式计算得到：
Figure BDA0001753898150000021
其中，所述Y为所述量化输出值，所述n为放大比例，所述ΔVBE为所述模数转换器输入信号的值，所述VBE为所述模数转换器参考电压信号的值。
可选地，在所述对所述比值进行运算得到量化输出值之后，还包括：
通过数字域将所述量化输出值转换为目标值；
其中，所述目标值与所述温度线性相关。
可选地，所述通过数字域运算将所述量化输出值转换为目标值，具体由以下公式计算得到：
Figure BDA0001753898150000022
其中，所述μ为所述目标值，所述
Figure BDA0001753898150000023
为系数。
可选地，在所述通过数字域将所述量化输出值转换为目标值之后，还包括：
按预设规则将所述目标值进行线性拟合得到温度值。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种温度传感器的模数转换装置，包括：
模拟前端电路，用于生成与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与所述温度成负相关的模数转换器参考电压信号；其中，所述模数转换器输入信号的值小于所述模数转换器参考电压信号的值；
模数转换器，用于取所述模数转换器输入信号的值与所述模数转换器参考电压信号的值的比值，对所述比值进行运算得到量化输出值。
可选地，所述模数转换器具体包括：
比例运算电路，用于对所述比值进行放大运算得到所述量化输出值。
可选地，还包括设于所述模拟前端电路的，栅极与所述模拟前端电路的BJT发射极连接、源极与共源共栅电流镜的栅端连接且漏极与电源正极连接的NMOS管启动电路。
可选地，所述模数转换器具体为开关电容的二阶1-bit的基于Sigma-Delta调制的模数转换器。
本发明所提供的温度传感器的模数转换方法，以模拟前端电路自身生成的与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与温度成负相关的模数转换器参考电压信号之间的比值计算得到模数转换器的量化输出值，由于模数转换器输入信号的值小于模数转换器参考电压信号的值，满足一般应用中输入信号小于参考信号的要求，因此可以兼容多传感器系统其他信号的测量，并且选用了温度特性已知的电压信号来生成量化输出值，兼顾了参考电压的温度特性对温度测量结果准确性的影响，提高了感温精度。综上，本发明提供的方案兼顾了温度传感器的模数转换问题的通用性和高精度。本发明还提供一种温度传感器的模数转换装置，具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中第一种温度传感器的模数转换装置的示意图；
图2为现有技术中第二种温度传感器的模数转换装置的示意图；
图3为现有技术中第三种温度传感器的模数转换装置的示意图；
图4为本发明实施例提供的第一种温度传感器的模数转换方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的第二种温度传感器的模数转换方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的读出方案示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种温度传感器的模数转换方法的流程图；
图8为本发明实施例提供的一种温度传感器的模数转换装置的结构图；
图9为本发明实施例提供的一种BJT前端电路的示意图；
图10为本发明实施例提供的一种PTAT偏置电流产生电路的示意图；
图11为无启动电路时DC仿真运放输出端的电压曲线的仿真图；
图12为本发明实施例提供的一种模数转换器的系统框图；
图13为本发明实施例提供的一种图12中的系统框图对应的模数转换电路。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种温度传感器的模数转换方法及模数转换装置，在温度传感器的模数转换问题上提供了兼具通用性和高精度的解决方案。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于高精度低成本的集成温度传感器来说，通常采用以双极结型晶体管BJT为感温器件的模拟前端电路，配合高精度的模数转换器ADC，将基于BJT的模拟前端电路产生的电信号数字化读出。现有技术中温度传感器的模数转换方案具体有三种：
图1为现有技术中第一种温度传感器的模数转换装置的示意图。如图1所示，在现有多传感器系统方案中，通常采用基准电压VBG作为模数转换器的参考电压，并通过多路选择器选择需要的输入信号(Sensor_1、Sensor_2……Sensor_n)接入模数转换器，从而量化输出。而基于BJT的模拟前端电路的输出，也是其中一路需要被选通的信号。这种量化方案的输出为：
Figure BDA0001753898150000041
其中，VIN为温度传感器将温度值转化得到的电压值，通过该电压值与参考电压VBG的比值，通过查表法或者公式换算法得到温度值。
另外在现有单独高精度CMOS温度传感器设计中，由于模拟前端电路本身会产生和温度正相关电压ΔVBE、和温度负相关的电压VBE，通常采用非直接方式产生参考电压。目前现有文献中有两种方案：
图2为现有技术中第二种温度传感器的模数转换装置的示意图。如图2所示，除了模拟前端电路(Analog Front-end)外，采用非直接的基于Sigma-Delta调制的模数转换器(Indirect Sigma-Delta ADC)，在Sigma-Delta ADC内部根据反馈动态选择ΔVBE或VBE,从而间接产生和温度近似无关的参考电压α·ΔVBE+VBE，最终量化出：
Figure BDA0001753898150000042
其中，α为系数。
图3为现有技术中第三种温度传感器的模数转换装置的示意图。如图3所示，除了模拟前端电路(Analog Front-end)外，根据温度传感器输入信号VBE，ΔVBE的关系，定制结合了逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR ADC)和delta sigma ADC的混合型模数转换器(Zoom ADC)，量化出X＝VBE/ΔVBE，再通过数字域将其代入公式(2)得到下式：
Figure BDA0001753898150000051
第一种模数转换方案是多传感器系统方案最为通用的方案，但是对于温度测量而言，由于参考电压的绝对值大小以及参考电压的温度特性会直接影响到温度测量结果的准确性，因此这种使用和温度传感器前端电路无关的通用基准电压作为参考电压的方案，其感温结果不仅和温度传感器模拟前端电路精度相关，而且和基准电压的电压特性相关，因此感温精度受限。
第二种模数转换方案和第三种模数转换方案是单独设计的温度传感器读出方案，可以克服第一种模数转换方案的缺点，取得高精度。
对于第二种模数转换方案，当其用于多传感系统中时，输入信号接入ΔVBE，参考信号选择VBE，此时非直接的模数转换器用于在内部产生参考电压α·ΔVBE+VBE，并按照公式(2)量化出输出。但此方案无法兼容多传感器系统中其他信号的测量，例如，当用于其他信号测量时，输入信号接为VIN，参考信号接回VBG，这种方案量化的输出的公式(2)并不是想要的公式(1)。
第三种模数转换方案与第二种模数转换方案相类似，而在硬件上更容易实现。但是，由于所采用的混合ADC量化的是
Figure BDA0001753898150000052
此时输入信号VBE远大于参考信号ΔVBE，也不满足一般应用中输入信号小于参考信号的要求，因此无法兼容多传感系统其它信号的测量。
图4为本发明实施例提供的第一种温度传感器的模数转换方法的流程图。如图4所示，温度传感器的模数转换方法包括：
S10：基于模拟前端电路，生成与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与温度成负相关的模数转换器参考电压信号。
其中，模数转换器输入信号的值小于模数转换器参考电压信号的值。
在现有的单独高精度CMOS温度传感器设计中，由于模拟前端电路本身会产生和温度正相关模数转换器输入信号ΔVBE、和温度负相关的模数转换器参考电压信号VBE，而模数转换器输入信号ΔVBE的值小于模数转换器参考电压信号VBE的值。在具体实施中，基于BJT的模拟前端电路，产生和温度正相关模数转换器输入信号ΔVBE，以及和温度负相关的模数转换器参考电压信号VBE。
S11：取模数转换器输入信号的值与模数转换器参考电压信号的值的比值，对该比值进行运算得到量化输出值。
取模数转换器输入信号ΔVBE的值与模数转换器参考电压信号VBE的值的比值ΔVBE/VBE，该比值大于零且小于一。
可选地，这里对比值进行运算得到量化输出值，具体可以为放大运算，从而充分利用模数转换器的动态范围，具体可以由以下公式计算得到：
Figure BDA0001753898150000061
其中，Y为量化输出值，n为放大比例，ΔVBE为模数转换器输入信号的值，VBE为模数转换器参考电压信号的值。该量化输出值在图表上为一个随温度单调变化的非线性曲线。
n的具体值可以根据实际工艺情况和所需的温度范围进行调整，从而充分利用模数转换器的动态范围。
本发明实施例提供的温度传感器的模数转换方法，以模拟前端电路自身生成的与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与温度成负相关的模数转换器参考电压信号之间的比值计算得到模数转换器的量化输出值，再将该量化输出值转换为数字信号输出，由于模数转换器输入信号的值小于模数转换器参考电压信号的值，满足一般应用中输入信号小于参考信号的要求，因此可以兼容多传感器系统其他信号的测量，并且选用了温度特性已知的电压信号来生成量化输出值，兼顾了参考电压的温度特性对温度测量结果准确性的影响，提高了感温精度。综上，本发明实施例提供的方案兼顾了温度传感器的模数转换问题的通用性和高精度。
图5为本发明实施例提供的第二种温度传感器的模数转换方法的流程图。如图5所示，在上述实施例的基础上，在另一实施例中，在步骤S11之后，温度传感器的模数转换方法还包括：
S20：通过数字域运算将量化输出值转换为目标值。
其中，目标值与所述温度线性相关。
在具体实施中，通过数字域将量化输出值转换为目标值，具体可以由以下公式计算得到：
Figure BDA0001753898150000071
其中，μ为转化后得到的目标值，
Figure BDA0001753898150000072
为系数。
公式(5)可由公式(4)代入公式(2)得到，具体运算过程如下：
将
Figure BDA0001753898150000073
代入
Figure BDA0001753898150000074
令
Figure BDA0001753898150000075
化简得到
Figure BDA0001753898150000076
在模数转化器中，公式(5)可以通过简单的数字域运算得到，大大较少了模拟读出电路的复杂性。同时，通过调节系数
Figure BDA0001753898150000077
可以在数字域调节线性化后的μ的线性度，从而减小整体的非线性，减小拟合误差，也减小了电路设计对n的绝对值要求。
图6为本发明实施例提供的读出方案示意图。如图6所示，先将比值ΔVBE/VBE放大4倍后得到Y，可以将原来不到9％的动态范围提高到35％左右。该输出是个随温度单调变化但非线性的曲线。通过引入系数得到公式(5)，将Y这一与温度非线性的曲线，转换为和温度线性相关的μ。
图7为本发明实施例提供的另一种温度传感器的模数转换方法的流程图。如图7所示，在上述实施例的基础上，在另一实施例中，在步骤S20之后，温度传感器的模数转换方法还包括：
S30：按预设规则将目标值进行线性拟合得到温度值。
通过数字域的计算转化为线性化的公式(5)，最后通过简单的线性拟合得到温度，如下式所示：
T＝A*μ+B (6)
其中T为最终得到的温度值，A和B均为参数，可根据实际电路设计整定得到。
在具体实施中，还需要进行校准得到温度值。对于同一批生产出的芯片，可采用相同的线性拟合系数A、B，对于每颗芯片可采用一点温度校准，即在一个已知温度点下(如室温)，校准数字系数
Figure BDA0001753898150000081
使得该温度点下误差最小。
上文详述了温度传感器的模数转换方法对应的各个实施例，在此基础上，本发明还公开了与上述方法对应的温度传感器的模数转换装置。
图8为本发明实施例提供的一种温度传感器的模数转换装置的结构图。如图8所示，温度传感器的模数转换装置包括：
模拟前端电路(Analog Front-end)，用于生成与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与温度成负相关的模数转换器参考电压信号；其中，模数转换器输入信号的值小于模数转换器参考电压信号的值；
模数转换器(Direct Sigma-Delta ADC)，用于取模数转换器输入信号的值与模数转换器参考电压信号的值的比值，对比值进行运算得到量化输出值。
进一步地，模数转换器具体包括：
比例运算电路，用于对比值进行放大运算得到量化输出值。
在上述实施例的基础上，本发明提供了用于实现上述模数转换方法的具体电路。
图9为本发明实施例提供的一种BJT前端电路的示意图。
如图9所示，模拟前端电路主要由两部分组成，一部分是PTAT偏置电流产生电路(PTAT bias circuit)，另一部分是用于产生VBE和ΔVBE的核心模块(Bipolar core)。PTAT偏置电流产生电路中的其中一路的BJT基极串联电阻(图中的Rb/7)，用于有限电流增益补偿。具体电路实现时对电流镜管进行动态元件匹配(DEM Control)，对运放采用斩波(ChopStabilization)，以此提高电路精度。
图10为本发明实施例提供的一种PTAT偏置电流产生电路的示意图。图11为无启动电路时DC仿真运放输出端的电压曲线的仿真图。
PTAT偏置电流产生电路以及运放展开后可以如图10所示，运放部分采用自偏置的折叠共源共栅运放来减小功耗和设计复杂度。
在PTAT偏置电流产生电路具体实现时，由于在BJT的基极串联了补偿电阻Rb/7，电路的工作状态也因此和传统PTAT偏置电流产生电路有所不同，最大的问题是引入了额外的工作简并点。如果在端口运放输出端Vout，并在C端添加电压源从0到Vdd电源扫描，运放输出端Vout的波形如图11所示，Vout端的电压和电压扫描的电压曲线Vbias的交点就是可能的工作简并点。从图11中可以看到，简并点至少有3个，分别为Point1，Point2和Desired Point，而只有其中的Desired Point是所需的工作点，需要避免电路工作在另外两个简并点。
因此，需要设计额外的启动电路来保证电路稳定工作，如图10所示，温度转换器的模数转换装置还可以包括设于模拟前端电路的PTAT偏置电流产生电路中的，栅极与模拟前端电路的BJT发射极连接、源极与共源共栅电流镜的栅端连接且漏极与电源正极连接的NMOS管启动电路(图中NMOS管M3部分)。
增加启动电路后，以图11为例，当电路工作在错误的简并点时，Vout即C点的电压为1V左右，此时电流较大，电流镜管均工作在线性区，由于基极电阻Rb/7的压降作用，A点电位抬高，NMOS管M3满足Vgs>Vth，处于导通状态，从而将C点电位拉高，脱离简并点。
图12为本发明实施例提供的一种模数转换器的系统框图。图13为本发明实施例提供的一种图12中的系统框图对应的模数转换电路。
模数转换器采用通用的模数转换器即可，具体可以为开关电容的二阶1-bit的基于Sigma-Delta调制的模数转换器，如图12所示，包括内嵌增益的二阶1-bit前馈Sigma-Delta调制器和数字滤波器。模数转换器的方框图的传递函数可以为：
Figure BDA0001753898150000091
其中，V(z)为内嵌增益的二阶1-bit前馈Sigma-Delta调制器的输出，n为信号放大系数，U(z)为输入信号，E(z)为量化误差，D(z)为包含a1，b1，b2的多项式。
数字滤波器部分的Sinc2的函数表达式为：
Figure BDA0001753898150000092
其中，D为降采样率。
相应的，图12中的系统框图对应的模数转换电路如图13所示，这部分与图12相互对应即可，在此不再赘述。需要说明的是，在模数转换器中嵌入增益n，可以根据具体应用场景进行调节，从而满足不同输入信号的要求。
如图13所示，以n＝4为例，在一个完整的时钟周期，四个采样电容器提供一个正比于2·ΔVBE的电荷：
CS是第一阶段的单位采样电容，等于900fF，可根据kT/C噪声，以及工艺匹配情况选取。而只有一个采样电容提供与反馈电压2·Vdac成比例的电荷：
Figure BDA0001753898150000103
其中，根据输出比特流，Vdac等于VBE或ΔVBE。由于内嵌增益的二阶1-bit前馈Sigma-Delta调制器中的反馈，传递到积分电容器的平均电荷为零：
Y·2·CS(4·ΔVBE-VBE)+(1-Y)·2·CS(4·ΔVBE+VBE)＝0 (11)
解式(11)，即可得到
Figure BDA0001753898150000101
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
以上对本发明所提供的一种温度传感器的模数转换方法及模数转换装置进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种温度传感器的模数转换方法，其特征在于，包括：
基于模拟前端电路，生成与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与所述温度成负相关的模数转换器参考电压信号；其中，所述模数转换器输入信号的值小于所述模数转换器参考电压信号的值；
取所述模数转换器输入信号的值与所述模数转换器参考电压信号的值的比值，对所述比值进行运算得到量化输出值。
2.根据权利要求1所述的模数转换方法，其特征在于，所述对所述比值进行运算得到量化输出值，具体为：
对所述比值进行放大运算得到所述量化输出值。
3.根据权利要求2所述的模数转换方法，其特征在于，所述量化输出值具体由以下公式计算得到：
其中，所述Y为所述量化输出值，所述n为放大比例，所述ΔVBE为所述模数转换器输入信号的值，所述VBE为所述模数转换器参考电压信号的值。
4.根据权利要求3所述的模数转换方法，其特征在于，在所述对所述比值进行运算得到量化输出值之后，还包括：
通过数字域将所述量化输出值转换为目标值；
其中，所述目标值与所述温度线性相关。
5.根据权利要求4所述的模数转换方法，其特征在于，所述通过数字域运算将所述量化输出值转换为目标值，具体由以下公式计算得到：
其中，所述μ为所述目标值，所述
Figure FDA0001753898140000013
为系数。
6.根据权利要求4所述的模数转换方法，其特征在于，在所述通过数字域将所述量化输出值转换为目标值之后，还包括：
按预设规则将所述目标值进行线性拟合得到温度值。
7.一种温度传感器的模数转换装置，其特征在于，包括：
模拟前端电路，用于生成与温度成正相关的模数转换器输入信号以及与所述温度成负相关的模数转换器参考电压信号；其中，所述模数转换器输入信号的值小于所述模数转换器参考电压信号的值；
模数转换器，用于取所述模数转换器输入信号的值与所述模数转换器参考电压信号的值的比值，对所述比值进行运算得到量化输出值。
8.根据权利要求7所述的模数转换装置，其特征在于，所述模数转换器具体包括：
比例运算电路，用于对所述比值进行放大运算得到所述量化输出值。
9.根据权利要求7所述的模数转换装置，其特征在于，还包括设于所述模拟前端电路的，栅极与所述模拟前端电路的BJT发射极连接、源极与共源共栅电流镜的栅端连接且漏极与电源正极连接的NMOS管启动电路。
10.根据权利要求7所述的模数转换装置，其特征在于，所述模数转换器具体为开关电容的二阶1-bit的基于Sigma-Delta调制的模数转换器。
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