JP4680214B2 - Frequency ratio digitizing temperature sensor with linearity correction - Google Patents
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Description
本発明は無線周波数識別装置に関するものであって、更に詳細には、周波数比デジタル化温度センサーを組込んだ無線周波数識別装置に関するものである。 The present invention relates to a radio frequency identification device, and more particularly to a radio frequency identification device incorporating a frequency ratio digitizing temperature sensor.
オシレータの周波数を変化させることにより温度を測定すべく動作する周波数比デジタル化温度センサーは良く知られている。より一般的には、このような温度センサーは温度と共に変化する入力信号を測定するために周波数比アナログ・デジタル変換器(ADC)を使用して実現される。一般的に、周波数比デジタル化温度センサーは2個のオシレータ、即ち基準オシレータとデータオシレータとを包含している。基準オシレータは変換間隔を定義し、その場合に基準周波数のクロック周期の固定した数を使用して変換期間を表示する。データオシレータの周波数、即ちデータ周波数は温度と共に変化され、且つ基準周波数に対するデータ周波数の比が温度センサーのデジタル出力信号を形成する。従来の周波数比デジタル化温度センサーにおいては、センサー回路の種々の要素の非理想的な特性がデジタル出力信号の非線形性を発生している。例えば、周波数比デジタル化温度センサーにおける基準オシレータ及びデータオシレータは、通常、電流・周波数変換器(I/F変換器)を使用して実現される。該オシレータを介しての伝搬遅延がデジタル出力信号の周波数の線形性の歪みを発生させる。又、温度測定を表示するため及び/又は基準電流として使用するために発生される温度依存性電流はそれ自身が非線形特性を示す場合がある。各オシレータを形成する抵抗及びコンデンサの温度係数が、温度が変化する場合に、オシレータ周波数において付加的なドリフトや非線形性を発生させる場合がある。 Frequency ratio digitizing temperature sensors that operate to measure temperature by changing the frequency of the oscillator are well known. More generally, such temperature sensors are implemented using a frequency ratio analog to digital converter (ADC) to measure an input signal that varies with temperature. In general, a frequency ratio digitizing temperature sensor includes two oscillators: a reference oscillator and a data oscillator. The reference oscillator defines the conversion interval, in which case the conversion period is displayed using a fixed number of clock cycles of the reference frequency. The frequency of the data oscillator, i.e., the data frequency, varies with temperature, and the ratio of the data frequency to the reference frequency forms the digital output signal of the temperature sensor. In conventional frequency ratio digitized temperature sensors, non-ideal characteristics of various elements of the sensor circuit generate non-linearities in the digital output signal. For example, a reference oscillator and a data oscillator in a frequency ratio digitizing temperature sensor are usually realized using a current / frequency converter (I / F converter). Propagation delay through the oscillator creates a linear distortion of the frequency of the digital output signal. Also, the temperature dependent current generated for displaying temperature measurements and / or for use as a reference current may itself exhibit non-linear characteristics. The temperature coefficients of the resistors and capacitors that form each oscillator may cause additional drift or nonlinearity at the oscillator frequency when the temperature changes.
線形性エラーを補正するか又は最小とさせる幾つかの従来技術の解決法は、補正したシステムを一般的な適用例においてより有用性のないものとさせる。例えば、幾つかの温度周波数比アナログ・デジタル変換器(ADC)は基準オシレータを使用し、その場合に基準周波数は温度に関して意図的に広く変化する。典型的に、このタイプの周波数比ADCはその周波数が温度増加と共に減少する基準オシレータを使用し、一方データ周波数は比較的一定のままである。このことは、温度が増加すると共に変換時間が著しく増加することとなり、そのことは、所望の適用例が固定した一定の間隔で取られたサンプルの出力ストリームである場合に不便な場合がある。 Some prior art solutions that correct or minimize linearity errors make the corrected system less useful in general applications. For example, some temperature frequency ratio analog-to-digital converters (ADCs) use a reference oscillator, where the reference frequency is intentionally varied widely with respect to temperature. Typically, this type of frequency ratio ADC uses a reference oscillator whose frequency decreases with increasing temperature, while the data frequency remains relatively constant. This will result in a significant increase in conversion time with increasing temperature, which may be inconvenient if the desired application is an output stream of samples taken at fixed intervals.
温度デジタル化周波数比ADCも、基準周波数発生器として温度補償型クリスタルオシレータと共に設計され且つ製造されている。然しながら、クリスタルオシレータは外部的な部品であり且つクリスタルオシレータの使用はコストを増加させると共に周波数比ADCを実現するために必要な回路面積を増加させる。 The temperature digitized frequency ratio ADC is also designed and manufactured with a temperature compensated crystal oscillator as a reference frequency generator. However, the crystal oscillator is an external component and the use of the crystal oscillator increases the cost and circuit area required to achieve the frequency ratio ADC.
米国特許第6,183,131号においては、デジタル化温度センサーが、ADC入力(PTAT信号)の小さな部分を(ほぼ一定の)ADC基準信号へ加算することにより線形性補正を実現している。このように、ボーエラー(bow error)即ち弓型誤差のほぼ完全な補正がこれらのデジタル化温度センサーにおいて観察され、特にベース・エミッタ電圧の温度依存性挙動に関連するエラーについてそうである。然しながら、該’131特許において記載されている線形性補正は、単一入力と単一基準ポートとを具備するADCを使用するデジタル温度センサーに対してのみ適用される。それは周波数比ADCに対して適用されるものではなく、その理由の一部としては、周波数比ADCは4個の別個の入力ポートを使用しており、且つ単一入力及び基準ポートに対する線形性補正を直接的に適用することは不可能である。 In US Pat. No. 6,183,131, a digitized temperature sensor achieves linearity correction by adding a small portion of the ADC input (PTAT signal) to a (substantially constant) ADC reference signal. Thus, almost complete correction of bow error or bow error is observed in these digitized temperature sensors, especially for errors related to the temperature dependent behavior of the base-emitter voltage. However, the linearity correction described in the '131 patent applies only to digital temperature sensors using an ADC with a single input and a single reference port. It does not apply to frequency ratio ADCs, partly because it uses four separate input ports and linearity correction for single input and reference ports It is impossible to apply directly.
無線周波数識別(RFID)とは、人又は物体を自動的に識別するために電波を使用する自動的識別技術のことを意味している。RFIDは多様な識別方法を包含しており、最も一般的なものは人又は物体を識別するシリアル番号、及び、多分その他の情報を、アンテナに取付けられたマイクロチップ上に格納することである。マイクロチップとアンテナとは一体となってRFIDトランスポンダー又はRFIDタグと呼ばれる。シリコンチップとアンテナとが共に動作してRFIDタグがRFID読取器又はトランシーバーからの無線周波数クエリーを受取り且つそれに応答することを可能とする。例えば、アンテナは、チップがRFID読取器へ識別情報を送信することを可能とする。読取器はRFIDタグから反射して戻された電波をデジタル情報へ変換し、それは、次いで、識別情報を利用することが可能なコンピュータへ送ることが可能である。 Radio frequency identification (RFID) refers to an automatic identification technique that uses radio waves to automatically identify people or objects. RFID encompasses a variety of identification methods, the most common being storing a serial number that identifies a person or object, and possibly other information, on a microchip attached to an antenna. The microchip and the antenna are integrally called an RFID transponder or an RFID tag. The silicon chip and antenna work together to allow the RFID tag to receive and respond to radio frequency queries from the RFID reader or transceiver. For example, the antenna allows the chip to transmit identification information to the RFID reader. The reader converts the radio waves reflected back from the RFID tag into digital information, which can then be sent to a computer that can utilize the identification information.
RFIDタグは、パッシブ、セミパッシブ(又は、セミアクティブとしても知られている)、又はアクティブのうちのいずれかとすることが可能である。パッシブRFIDタグは内部電源を必要とするものではないが、トランシーバー又は読取器によって訂正される電磁界からパワーを引き出し且つそのパワーを使用してマイクロチップの回路に電力を供給する。RFIDトランシーバー又は読取器からの電磁波はRFIDタグのアンテナ内に電流を誘起させる。次いで、該チップはアンテナがトランシーバーへ送り戻す波を変調させる。該トランシーバーはこの新たな波をデジタルデータへ変換させる。 An RFID tag can be either passive, semi-passive (or also known as semi-active), or active. A passive RFID tag does not require an internal power supply, but draws power from the electromagnetic field corrected by the transceiver or reader and uses that power to power the microchip circuitry. The electromagnetic waves from the RFID transceiver or reader induce current in the RFID tag antenna. The chip then modulates the wave that the antenna sends back to the transceiver. The transceiver converts this new wave into digital data.
アクティブRFIDタグは、電池等の内部電源を必要とし、それはマイクロチップに電力を供給し且つ外へ出ていく信号を発生するために使用される。アクティブRFIDタグは、時々、ビーコンと呼称されるが、それはそれら自身の信号をブロードキャストさせることが可能だからである。 Active RFID tags require an internal power source such as a battery, which is used to supply power to the microchip and generate signals to go out. Active RFID tags are sometimes called beacons because they can broadcast their own signals.
セミパッシブRFIDタグは、マイクロチップの回路に電力を供給するために小型の電池を使用することを除いてパッシブタグと類似している。RFIDタグは読取器又はトランシーバーからパワーを引き出すことにより通信を行う。該電池即ちバッテリはタグのマイクロチップが常に電力が供給されることを可能とし、そのことは入って来る信号からパワーを回収すべくアンテナを設計することの必要性を取除いている。従って、アンテナは後方散乱信号に対して最適化させることが可能である。セミパッシブRFIDタグは応答においてより高速であり、従って、パッシブタグと比較して読取比において一層強い。 Semi-passive RFID tags are similar to passive tags, except that a small battery is used to power the microchip circuitry. RFID tags communicate by extracting power from a reader or transceiver. The cell or battery allows the tag's microchip to be powered at all times, which eliminates the need to design an antenna to recover power from incoming signals. Thus, the antenna can be optimized for backscatter signals. Semi-passive RFID tags are faster in response and are therefore stronger in read ratio compared to passive tags.
RFID技術の1つの一般的な適用例はサプライチェーンを介して移動する商品のトラッキング即ち追跡のためである。更に、RFIDタグは温度、移動及びラジエーションをも検知し且つ記録するセンサーと結合されている。このように、サプライチェーンを介して移動する品目を追跡するために使用される同一のRFIDタグは、商品が正しい温度で格納されていない場合、又は誰かが生物学的物質を商品に注入した場合等にスタッフに警告を発生すべく動作することが可能である。 One common application of RFID technology is for tracking goods that travel through the supply chain. In addition, the RFID tag is coupled with a sensor that also detects and records temperature, movement and radiation. In this way, the same RFID tag used to track items moving through the supply chain can be used if the goods are not stored at the correct temperature or if someone injects biological material into the goods It is possible to operate to generate a warning to the staff.
RFIDタグにおけるマイクロチップは、リード・ライト、リードオンリ又は「ライトワンス、リードメニー」(WORM)とすることが可能である。リード・ライトチップの場合には、情報をタグへ付加させることが可能であり、又は、識別シリアル番号を除いて、既存の情報を上書きさせることが可能である。RFIDタグは、タグ自身により集められた情報を格納するための付加的な格納ブロックを有している場合がある。 The microchip in the RFID tag can be read / write, read-only or “write once, read many” (WORM). In the case of a read / write chip, information can be added to the tag, or existing information can be overwritten with the exception of the identification serial number. An RFID tag may have an additional storage block for storing information collected by the tag itself.
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、改良した無線周波数識別装置及び方法を提供することを目的とする。本発明の別の目的とするところは、温度ロギング能力を具備する改良したRFIDタグを提供することである。本発明の更に別の目的とするところは、改良した周波数比デジタル化温度センサーを提供することである。本発明の更に別の目的とするところは、線形性補正した温度出力信号を発生する技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an improved radio frequency identification device and method that solves the above-described drawbacks of the prior art. Another object of the present invention is to provide an improved RFID tag with temperature logging capability. Yet another object of the present invention is to provide an improved frequency ratio digitizing temperature sensor. Yet another object of the present invention is to provide a technique for generating a linearity corrected temperature output signal.
本発明の原理によれば、基準オシレータとデータオシレータとを有する周波数比デジタル化温度センサーが、補正電流を温度非依存性基準電流へ付加させ且つ補正した基準電流の同一のコピーを使用して基準オシレータ電流入力及びデータオシレータ基準電圧入力における抵抗を駆動することにより線形性補正を実現する。該抵抗は該電流を補正された基準電圧へ変換させ、その基準電圧は基準オシレータ出力における周波数に対して逆比例している。該補正電流は絶対温度に対して比例する電流(PTAT電流)であり且つ温度検知電流源から入力発生回路へ印加されたPTAT電流の複製された割合部分Kpを選択することにより得られる。基準オシレータを駆動するために補正された基準電流を使用することの結果として、温度センサーの基準周波数は意図的に温度に関してエラーを示すようにされる。データオシレータにおける基準電圧を発生するために補正された基準電流を使用することの結果として、データオシレータ出力における周波数も意図的に逆周波数エラーを示すように誘起される。これらの周波数エラーの性質は、温度に関してデジタル温度出力における線形性エラーを相殺させる効果を有している。 In accordance with the principles of the present invention, a frequency ratio digitizing temperature sensor having a reference oscillator and a data oscillator adds a correction current to a temperature independent reference current and uses the same copy of the corrected reference current as a reference. Linearity correction is achieved by driving resistors at the oscillator current input and the data oscillator reference voltage input. The resistor converts the current into a corrected reference voltage that is inversely proportional to the frequency at the reference oscillator output. The correction current is a current proportional to absolute temperature (PTAT current) and is obtained by selecting a replicated portion Kp of the PTAT current applied from the temperature sensing current source to the input generation circuit. As a result of using the corrected reference current to drive the reference oscillator, the reference frequency of the temperature sensor is intentionally made to show an error with respect to temperature. As a result of using the corrected reference current to generate a reference voltage in the data oscillator, the frequency at the data oscillator output is also intentionally induced to exhibit an inverse frequency error. These frequency error properties have the effect of canceling the linearity error in the digital temperature output with respect to temperature.
本発明の周波数比デジタル化温度センサーは、従来の周波数比温度センサーにおいては達成することが不可能な線形性エラー補正を実現している。より詳細に説明すると、温度依存性電流と関連するエラー発生源、電流・周波数変換器における時間遅延及び抵抗及びコンデンサの温度依存性挙動は、PTAT電流の所定量が基準電流へ付加される場合に同時的に相殺される。 The frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention implements linearity error correction that cannot be achieved with conventional frequency ratio temperature sensors. More specifically, error sources associated with temperature-dependent currents, time delays in current-frequency converters, and temperature-dependent behavior of resistors and capacitors, when a predetermined amount of PTAT current is added to the reference current. It is offset simultaneously.
本発明の別の側面によれば、無線周波数識別(RFID)タグが周波数比デジタル化温度センサーを組み込んでRFID温度ロガーを構成する。RFIDタグはオンコマンドか又は特定した間隔で温度データを記録すべくプログラムすることが可能である。1実施例においては、RFIDタグはセミパッシブであり、温度センサー及び制御回路はバッテリによって電力が供給される。更なる実施例においては、本発明の周波数比デジタル化温度センサーは、デュアル機能温度/電圧センサーとして構成されており、その場合に温度センサー回路はバッテリ電圧と周囲温度を交互に測定するために使用される。別の実施例においては、3ポート線形性補正方法が周波数比デジタル化温度センサーにおいて実現されており、従って該温度センサーにより安定な基準クロックが発生される。この安定な基準クロックは、クロックのキャリブレーションのためにRFIDタグの制御回路により使用され、それにより外部的なクリスタルオシレータに対する必要性を取除いている。本発明の周波数比デジタル化温度センサーを組み込んだRFIDタグは以下により詳細に説明する。 According to another aspect of the invention, a radio frequency identification (RFID) tag incorporates a frequency ratio digitizing temperature sensor to constitute an RFID temperature logger. The RFID tag can be programmed to record temperature data either on command or at specified intervals. In one embodiment, the RFID tag is semi-passive and the temperature sensor and control circuit are powered by a battery. In a further embodiment, the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention is configured as a dual function temperature / voltage sensor, where the temperature sensor circuit is used to alternately measure battery voltage and ambient temperature. Is done. In another embodiment, a three-port linearity correction method is implemented in a frequency ratio digitizing temperature sensor so that a stable reference clock is generated by the temperature sensor. This stable reference clock is used by the RFID tag control circuitry for clock calibration, thereby eliminating the need for an external crystal oscillator. An RFID tag incorporating the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention will be described in more detail below.
一般的に、周波数比デジタル化温度センサーは、基準オシレータとデータオシレータとを実現する一対の電流・周波数(I/F)変換器を包含している。データI/F変換器及び基準I/F変換器と呼称されるこの一対のI/F変換器は、各々、2個の入力信号(電流と電圧)を受取り且つ周波数出力信号を発生する。従って、この一対のI/F変換器は、測定される温度を計算するために2つの周波数出力信号を発生するために4個の入力信号を使用する。より詳細に説明すると、データI/F変換器は、温度依存性入力電流Idata及び近似的に温度非依存性の基準電圧Vdataを受取る。温度依存性入力電流Idataは温度励起に応答して一対のバイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧Vbeの間の差により発生されるPTAT電流、IPTATの複製物である。基準I/F変換器はほぼ温度非依存性の基準電流Iref及びほぼ温度非依存性の基準電圧Vrefを受取る。 Generally, a frequency ratio digitizing temperature sensor includes a pair of current-frequency (I / F) converters that implement a reference oscillator and a data oscillator. Each pair of I / F converters, referred to as a data I / F converter and a reference I / F converter, each receive two input signals (current and voltage) and generate a frequency output signal. Therefore, this pair of I / F converters uses four input signals to generate two frequency output signals to calculate the measured temperature. More specifically, the data I / F converter receives a temperature dependent input current Idata and an approximately temperature independent reference voltage Vdata. The temperature dependent input current Idata is a replica of the PTAT current, IPTAT, generated by the difference between the base-emitter voltage Vbe of a pair of bipolar transistors in response to temperature excitation. The reference I / F converter receives a substantially temperature independent reference current Iref and a substantially temperature independent reference voltage Vref.
本発明の1つの側面によれば、本発明の周波数比デジタル化温度センサーは2ポート線形性補正方法を実現する。この2ポート線形性補正方法において、I/F変換器への4つの入力信号のうちの2つが補正電流により補正される。特に、補正された基準電流は、温度依存性PTAT電流の小さな部分を一次温度安定性である基準電流へ付加即ち加算させることにより形成される。補正された基準電流の同一のコピーが基準I/F変換器への基準電流として、且つ、抵抗を介して、データI/F変換器に対する基準電圧Vdataとして同時的に印加される。 According to one aspect of the present invention, the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention implements a two-port linearity correction method. In this two-port linearity correction method, two of the four input signals to the I / F converter are corrected by the correction current. In particular, the corrected reference current is formed by adding or adding a small portion of the temperature dependent PTAT current to a reference current that is primary temperature stable. The same copy of the corrected reference current is applied simultaneously as a reference current to the reference I / F converter and as a reference voltage Vdata to the data I / F converter via a resistor.
補正された基準電流の2つの同一のコピーのデータ及び基準I/F変換器の両方の入力信号に対しての同時的な印加は周波数比アナログ・デジタル変換器(ADC)の伝達関数を、修正させるが、その場合に、二次歪みが該ADC内に発生され、それはバイポーラトランジスタに基づく温度センサーを使用して発生される温度依存性電流において本来的な二次歪みと符号が反対である。その結果、デジタル化された温度測定値の線形性エラーは著しく減少される。1実施例において、デジタル温度測定値において少なくとも20dBの線形性の改善が得られる。 Simultaneous application of the corrected reference current to two identical copies of data and the input signal of the reference I / F converter modifies the transfer function of the frequency ratio analog to digital converter (ADC). In that case, second-order distortion is generated in the ADC, which is opposite in sign to the inherent second-order distortion in the temperature dependent current generated using a temperature sensor based on a bipolar transistor. As a result, the linearity error of the digitized temperature measurement is significantly reduced. In one embodiment, a linearity improvement of at least 20 dB in the digital temperature measurement is obtained.
本発明の別の側面によれば、本発明の周波数比デジタル化温度センサーは3ポート線形性補正方法を実現する。この3ポート線形性補正方法において、I/F変換器への4つの入力信号のうちの3つが2個の別個の補正電流により補正される。温度依存性入力電流Idataは補正されないままとされる唯一の入力信号である。この3ポート線形性補正方法において、第一の補正された基準電流が基準I/F変換器の基準電流Irefへ印加され、且つこの補正された基準電流の複製物が2ポート線形性補正方法におけるのと同一の態様でデータI/F変換器のVdata基準電圧入力における抵抗へ印加される。この3ポート線形性補正方法は、温度依存性PTAT電流の小さな部分を一次温度安定性である基準電流へ付加させることにより第二の補正した基準電流を形成することが関与する。第二の補正した基準電流を形成するために使用されるPTAT電流の割合即ち部分は第一の補正した基準電流を形成するために使用したPTAT電流の割合即ち部分とは異なっており、従ってこれら2つの補正した基準電流は異なる電流値を有している。第二の補正した基準電流は抵抗へ印加されて基準I/F変換器用の基準電圧Vrefを発生する。このように、基準オシレータとして機能する基準I/F変換器の周波数ドリフトは最小とされ、一方温度のデジタル温度測定値は上述した如くに線形化される。1実施例においては、基準クロックの周波数の安定性を0.06%p−p(ピーク・ツー・ピーク)に保持しながら、デジタル温度測定において20dBの線形性を改善することが可能である。 According to another aspect of the present invention, the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention implements a three-port linearity correction method. In this three-port linearity correction method, three of the four input signals to the I / F converter are corrected by two separate correction currents. The temperature dependent input current Idata is the only input signal that is left uncorrected. In the three-port linearity correction method, the first corrected reference current is applied to the reference current Iref of the reference I / F converter, and a copy of the corrected reference current is used in the two-port linearity correction method. Is applied to a resistor at the Vdata reference voltage input of the data I / F converter. This three-port linearity correction method involves forming a second corrected reference current by adding a small portion of the temperature dependent PTAT current to a reference current that is primary temperature stable. The proportion or portion of PTAT current used to form the second corrected reference current is different from the proportion or portion of PTAT current used to form the first corrected reference current. The two corrected reference currents have different current values. The second corrected reference current is applied to the resistor to generate a reference voltage Vref for the reference I / F converter. Thus, the frequency drift of the reference I / F converter functioning as a reference oscillator is minimized while the digital temperature measurement of the temperature is linearized as described above. In one embodiment, it is possible to improve the linearity of 20 dB in digital temperature measurements while maintaining the frequency stability of the reference clock at 0.06% pp (peak to peak).
本発明の周波数比デジタル化温度センサーにおいては、適用例が絶対的な正確度を要求する場合に、測定精度を向上させるために利得及びオフセットの同時的なデジタル調節を適用することが可能である。更に、本発明の周波数比デジタル化温度センサーの性能を向上させるために、データオシレータ及び基準オシレータを温度及び電源変動に関し一定な伝搬、論理及びスイッチング時間遅延の和を示すI/F変換器を使用して実現することが可能である。 In the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention, it is possible to apply simultaneous digital adjustment of gain and offset to improve measurement accuracy when the application requires absolute accuracy. . In addition, to improve the performance of the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention, the data oscillator and reference oscillator use I / F converters that exhibit a constant propagation, logic and switching time delay sum over temperature and power supply variations. Can be realized.
1実施例において、PTAT電流は補正係数で乗算され且つ基準電流へ加算されて第一及び第二補正基準電流を形成し、それらは最早温度非依存性のものではなく−25乃至85℃にわたり約1.15%の正の勾配を示す。該補正係数は、デジタル化温度センサーを特性付ける式を解くことにより又は実際の集積回路の測定値を経験的に使用することによって数学的に選択される。 In one embodiment, the PTAT current is multiplied by a correction factor and added to a reference current to form first and second corrected reference currents, which are no longer temperature independent and are approximately between −25 and 85 ° C. 1.15% positive slope is shown. The correction factor is selected mathematically by solving the equations that characterize the digitized temperature sensor or by using actual integrated circuit measurements empirically.
本発明の線形性補正型周波数比デジタル化温度センサーは、基準周波数が一定又は比較的一定に留まっている間に、データ周波数が温度の増加と共に絶対温度(PTAT)に対してほぼ線形的に比例する態様で増加する場合の周波数比デジタル化温度センサーに対して適用可能である。本発明の線形性補正方法は、データ周波数が温度に関して著しく増加するものではデジタル化システムに適用可能なものではない。 The linearity-corrected frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention is such that the data frequency is approximately linearly proportional to absolute temperature (PTAT) with increasing temperature while the reference frequency remains constant or relatively constant. This is applicable to a frequency ratio digitizing temperature sensor when increasing in the above manner. The linearity correction method of the present invention is not applicable to digitizing systems where the data frequency increases significantly with temperature.
本発明の線形性補正型周波数比デジタル化温度センサーは、従来の温度センサーと比較して多くの利点を提供する。第一に、本発明の線形性補正型温度センサーは、外部的クリスタル部品の使用を必要とすることなしに、良好な又はクリスタルオシレータを使用する温度センサーよりも良好な温度測定結果を与えることが可能である。本発明の温度センサーは、それにより製造コスト及び実現化のために必要な回路面積を減少させる。更に、3ポート線形性補正方法が適用される場合には、本発明の温度センサーは、同時的に、安定性が増加された基準周波数を提供する。その基準周波数は、安定な基準周波数を必要とする該温度センサー外部の他の回路により使用することが可能である。従って、本発明の温度センサーは、このような安定化された基準周波数を与えるために付加的なオシレータ回路又は外部的クリスタルオシレータに対する必要性を取り除いている。 The linearity corrected frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention provides many advantages over conventional temperature sensors. First, the linearity compensated temperature sensor of the present invention can provide better temperature measurement results than a temperature sensor that uses good or crystal oscillators without requiring the use of external crystal components. Is possible. The temperature sensor of the present invention thereby reduces manufacturing costs and circuit area required for realization. In addition, when a three-port linearity correction method is applied, the temperature sensor of the present invention simultaneously provides a reference frequency with increased stability. The reference frequency can be used by other circuits outside the temperature sensor that require a stable reference frequency. Thus, the temperature sensor of the present invention eliminates the need for an additional oscillator circuit or external crystal oscillator to provide such a stabilized reference frequency.
図1は本発明の1実施例に基づく周波数比デジタル化温度センサーの概略図である。図1を参照すると、周波数比デジタル化温度センサー10はその入力信号として温度検知回路20から2つの温度依存性電流を受取る。温度検知回路20はデジタル化温度センサー10の一部とする場合も又はしない場合もある。温度検知回路20の正確な構成は、1つが比例的であり且つ1つが相補的であるという2つの温度依存性電流が該温度センサーに対して発生される限り、本発明の実施に対して臨界的なものではない。
FIG. 1 is a schematic diagram of a frequency ratio digitizing temperature sensor according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the frequency ratio digitizing
図1において、温度検知回路20が、温度励起に応答して、ノード22上に絶対温度IPTATに比例する電流を供給し且つノード24上に絶対温度ICTATに対して相補的な電流を供給する2つの電流源として示されている。図1に示されている温度検知回路20は例示的なものに過ぎず且つ温度検知回路の実際の構成を表わすことを意図しているものではない。通常、異なる電流密度で動作される2つのバイポーラトランジスタを使用して2つの温度依存性電流が発生される。2つのバイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧における差、即ち△Vbe電圧は絶対温度に比例する電圧である。PTAT電流は、△Vbe電圧を抵抗(例えば、抵抗Rp)を横断して印加することにより△Vbe電圧から発生させることが可能である。一方、該バイポーラトランジスタのうちの一方のベース・エミッタ電圧、即ちVbe電圧は絶対温度に対して相補的な電圧である。従って、このVbe電圧を抵抗(例えば、抵抗Rc)を横断して印加することにより、典型的にはより高い電流密度を有するトランジスタにおける2つのVbe電圧のうちのより大きなものであるVbe電圧から発生させることが可能である。
In FIG. 1,
デジタル化温度センサー10は入力発生回路30と周波数比アナログ・デジタル変換器(ADC)によって形成されている。入力発生回路30は2つの温度依存性電流IPTAT及びICTATを受取り且つ周波数比ADCを駆動するために必要な入力信号を発生する。本実施例においては、周波数比ADCは一対の電流・周波数(I/F)変換器40,50、一対のカウンタ60,70及び減算回路80を包含している。周波数比ADCは、デジタル化温度センサー10の温度出力信号として出力信号ADCOUTを供給する。
The digitized
I/F変換器40は、温度依存性入力電流Idata(ノード32)及び近似的に温度比依存性の基準電圧Vdata(ノード34)を受取り且つPTAT電流である入力電流を表わす周波数を具備する周波数出力信号Fdata(ノード44)を発生するためのデータI/F変換器である。I/F変換器50は、近似的に温度非依存性の基準電流Iref(ノード36)及び近似的に温度非依存性の基準電圧Vref(ノード38)を受取り且つ温度センサーの基準周波数である周波数出力信号Fref(ノード54)を発生するための基準I/F変換器である。基準周波数Frefは変換期間を定義し、その場合に、該基準周波数のクロック周期の固定数Ncがその変換期間を表わす。
The I /
本発明によれば、入力発生回路30が、基準電圧Vdata(ノード34)を発生するために使用される第一補正基準電流及び基準電流Iref(ノード36)として使用される第一補正基準電流の複製物を発生する。第一補正基準電流をこのような態様で印加することにより、温度センサーの最終的温度出力信号における線形性エラーは精密に補正される。更に、本発明の別の側面によれば、入力発生回路30は、基準周波数Frefの安定性を改善するために基準電圧Vref(ノード38)を発生するために使用される第二補正基準電流を発生する。入力発生回路30の詳細な構成について以下により詳細に説明する。
According to the present invention, the
デジタル化温度センサー10において、基準周波数Fref(ノード54)が該基準周波数のクロック周期の固定数Ncをカウントするために基準カウンタ70へ結合される。基準カウンタ70は該温度センサーの変換期間を定義するカウントNcを表わす出力信号REF COUNTを出力端子78上に発生する。基準カウンタ70はSTART CONVERT信号(ノード64)を受取って各変換サイクルを開始させる。カウントの固定数Ncに到達すると、基準カウンタ70はオーバーフロー信号を発生し、それはCONVERT DONE信号(ノード66)として機能して各変換サイクルの終りを表わす。基準カウンタ70が数Ncを超えるカウントを検知すると、該オーバーフロー信号がアサート即ち活性化されて変換期間の終りを表わす。基準カウンタ70は、又、デジタル化温度センサー10の利得をデジタル的に調節するために端子72上の利得調節入力信号を受取る。この利得調節入力信号は、該温度センサーシステムの利得を調節するために、カウント数Ncを増加させるか又は減少させることにより変換期間を増加させるか又は減少されるべく動作する。
In the digitized
データ周波数Fdata(ノード44)は該温度センサーの変換期間内のデータ周波数のクロック周期の数をカウントするためにデータカウンタ60へ結合されている。データカウンタ60は変換期間内のデータ周波数のカウントを表わす出力信号DATA COUNTを出力端子68上に発生する。データカウンタ60はSTART CONVERT信号(ノード64)を受取って各変換サイクルを開始させる。データカウンタ60は、又、Halt(停止)信号として基準カウンタ70からCONVERT DONE信号(ノード66)を受取る。CONVERT DONE信号がアサート即ち活性化されると、データカウンタ60におけるカウント動作が停止される。最後に、データカウンタ60はデジタル化温度センサー10のオフセットをデジタル的に調節するために温度に関するオフセット調節入力信号62を受取る。
Data frequency Fdata (node 44) is coupled to data counter 60 for counting the number of data frequency clock periods within the conversion period of the temperature sensor. The data counter 60 outputs an output signal DATA that represents a count of data frequencies within the conversion period. COUNT is generated on
本実施例においては、DATA COUNT信号(ノード68)及びREF COUNT信号(ノード78)が減算回路80へ結合され、そこでREF COUNT信号がDATA COUNT信号から減算される。出力端子82上の最終的なADCOUT信号がデジタル温度出力信号として供給され且つ温度出力信号を与えるために処理することが可能である。ADCOUT信号を処理するための回路及び方法は周知であり且つ本明細書においての説明は割愛する。1実施例において、デジタル化温度センサー10は公称的に0℃において等しい基準周波数及びデータ周波数を選択することにより正規化される。Fdata=Frefである場合の実際の温度におけるどのような不正確性も、Offset Adjust入力(ノード62)において適切なデジタル値を印加することによりデジタル的に補正することが可能である。このように、該減算操作はADCOUT信号を発生し、それは、公称的に、摂氏における温度測定値を表わす。
In this embodiment, DATA COUNT signal (node 68) and REF The COUNT signal (node 78) is coupled to
一般的に、周波数比ADCのデジタル化した出力信号は、オフセット調節値がゼロであると仮定すると、次式により与えられる。 In general, the digitized output signal of the frequency ratio ADC is given by the following equation, assuming that the offset adjustment value is zero.
尚、Ncは基準クロックのクロック周期の固定数であり且つ変換期間を提示する。本発明の周波数比デジタル化温度センサー10は、上の式(1)により説明することも可能である。
Nc is a fixed number of clock cycles of the reference clock and presents a conversion period. The frequency ratio digitizing
基準周波数Frefが式(1)において一定であると仮定すると、比Fdata/Frefは、何等かの入力信号値として解釈することが可能であり、それより上方においては、出力信号ADCOUTはゼロより上方の範囲である。従って、式(1)により記述される周波数比ADCのいずれか正の出力値は何等かの所定の基準値上方の入力信号の大きさに対応している。従って、該ADCは所定の正の基準値と入力値との間の差を測定する。周波数比ADCのこの特徴は、特に、ダイオードをベースとした温度検知ADCにおいて有用である。何故ならば、該入力信号は−273.15℃近くになるまでゼロに到達することはなく、それは通常の動作温度よりかなり低いからである。従って、周波数比ADCは、0℃の検知温度に対応する基準値に対する公称値を選択することにより正規化することが可能である。そのように正規化された場合には、そのデジタル出力信号が公称的に摂氏での温度を表わす周波数比温度センサーを構成することが可能である。 Assuming that the reference frequency Fref is constant in equation (1), the ratio Fdata / Fref can be interpreted as any input signal value above which the output signal ADCOUT is above zero. Range. Therefore, any positive output value of the frequency ratio ADC described by equation (1) corresponds to the magnitude of the input signal above some predetermined reference value. Therefore, the ADC measures the difference between a predetermined positive reference value and the input value. This feature of the frequency ratio ADC is particularly useful in diode based temperature sensing ADCs. This is because the input signal does not reach zero until it approaches -273.15 ° C, which is much lower than the normal operating temperature. Thus, the frequency ratio ADC can be normalized by selecting a nominal value relative to a reference value corresponding to a detected temperature of 0 ° C. When so normalized, it is possible to construct a frequency ratio temperature sensor whose digital output signal represents a temperature in degrees Celsius nominally.
本実施例においては、デジタル化温度センサー10は、更に、温度検知用電流源においての1℃の変化がデジタル出力ADCOUTにおいて8LSB(最小桁ビット)の変化を発生させるようにNcの値を選択することにより正規化される。このように、ADCOUTにおける符号付き二進デジタル数値は0.125℃のLSB重みを有する摂氏における温度として容易に解釈される。
In this embodiment, the digitized
上の説明において、周波数比デジタル化温度センサーにおけるオシレータは電流・周波数変換器(I/F変換器)を使用して実現されている。印加される電流に敏感なオシレータを使用する代わりに、周波数比デジタル化温度センサーにおけるオシレータは、又、電圧感応性オシレータ、又は電圧・周波数変換器回路(V/F変換器)を使用して実現することが可能である。温度依存性電流を発生する温度検知回路の本来的な電源電圧変動除去能力のために、I/F変換器の使用は、通常、V/F変換器よりも望ましい。然しながら、本発明の線形性補正方法は、入力信号における電流信号から電圧信号への適切な変化を具備するV/F変換器トポロジィを使用して構成したデジタル化温度センサーに対しても等しく良好に適用される。周波数比デジタル化温度センサーは、データ周波数Fdataが温度と共に増加し且つ基準周波数Frefが比較的一定である限り且つV/F変換器が、その周波数が入力電圧の増加と共に増加し且つ基準電圧の増加と共に減少するように構成されている限り、V/F変換器トポロジィを使用して構成することが可能である。 In the above description, the oscillator in the frequency ratio digitizing temperature sensor is realized using a current / frequency converter (I / F converter). Instead of using an oscillator that is sensitive to the applied current, the oscillator in the frequency ratio digitizing temperature sensor can also be implemented using a voltage sensitive oscillator or a voltage / frequency converter circuit (V / F converter). Is possible. Because of the inherent power supply voltage fluctuation removal capability of temperature sensing circuits that generate temperature dependent currents, the use of I / F converters is usually preferred over V / F converters. However, the linearity correction method of the present invention is equally good for a digitized temperature sensor constructed using a V / F converter topology with appropriate changes from current to voltage signals in the input signal. Applied. The frequency ratio digitizing temperature sensor is as long as the data frequency Fdata increases with temperature and the reference frequency Fref is relatively constant and the V / F converter increases its frequency as the input voltage increases and the reference voltage increases. Can be configured using a V / F converter topology.
上述したように、図1のデジタル化温度センサー10は入力信号対周波数関数を実現するために2個の電流・周波数(I/F)変換器40,50を使用している。I/F変換器の構成及び動作は以下の如くである。最も一般的な用語において、I/F変換器はコンデンサと、比較器と、スイッチング回路とを包含している。I/F変換器は入力電流Iin及び基準電圧Vrefを入力信号として受取る。コンデンサは入力電流Iinにより充電され且つ線形的に増加するランプ電圧がコンデンサにおいて展開される。このコンデンサにおけるランプ電圧は基準電圧Vrefと比較される。ランプ電圧が基準電圧Vrefを超えると、比較器出力信号がアサート即ち活性化され且つスイッチング回路がリセットされて該コンデンサを放電させ、それにより該コンデンサにおける電圧をゼロへリセットさせ且つ再度電圧ランププロセスを開始させる。比較器出力信号の各活性化の間の時間がI/F変換器の出力周波数Foutの期間を定義する。瞬間的なリセットを示す理想的なシステムの場合には、出力周波数Foutは次式で与えることが可能である。
As described above, the digitized
尚、Iinはアンペア単位での入力電流であり、Cintはファラッド単位での内部集積コンデンサの容量であり、Vrefは比較器において使用される基準電圧である。 Here, I in is the input current in amperes, C int is the capacity of the internal integrated capacitor in farads, and V ref is a reference voltage used in the comparator.
実際の回路においては、基準電圧Vrefを超えるランプ電圧と別のランプ動作サイクルの開始との間に有限の遅延時間が存在している。低パワー適用例の場合には、比較器において使用されるパワーの量が比較速度を制限し、この遅延時間が大きなものとなり且つ出力周波数信号の線形性エラーに対しかなり寄与するものとなる場合がある。基準電圧を超えるコンデンサのランプ電圧と次のランプサイクルの開始との間の遅延時間tdを示すI/F変換器の場合には、出力周波数は次式で与えられる。 In an actual circuit, there is a finite delay time between the lamp voltage exceeding the reference voltage Vref and the start of another lamp operation cycle. For low power applications, the amount of power used in the comparator limits the comparison speed, this delay time can be significant and can contribute significantly to the linearity error of the output frequency signal. is there. In the case of an I / F converter showing a delay time t d between the ramp voltage of the capacitor exceeding the reference voltage and the start of the next ramp cycle, the output frequency is given by:
遅延時間tdの存在は、I/F伝達関数のオフセット及び利得に影響を与えるが、これらの線形エラーは典型的なシステムにおいて容易に補正される。然しながら、遅延時間の存在は、又、出力周波数を高周波数においてよりゆっくりと増加させ、その場合に遅延時間は全期間のより大きな部分であり、従ってIinとFoutとの間の伝達関数における線形性エラーを発生する。tdにより発生される線形性のエラーの大きさは、td/trampの比の値の増加と共に増加し、尚trampはランプ電圧の時間期間である。比td/tramp及び線形性エラーは、時間trampを増加させるか(そのことは、より低い入力電流Iin又はより大きな容量Cint又はより大きな基準電圧Vrefを必要とする)、又は遅延時間tdを減少させるかのいずれかにより最小とさせることが可能である。 Although the presence of the delay time t d affects the offset and gain of the I / F transfer function, these linear errors are easily corrected in typical systems. However, the presence of the delay time also increases the output frequency more slowly at high frequencies, in which case the delay time is a larger part of the total period and thus linearity in the transfer function between Iin and Fout. Generate an error. The size of the linearity errors generated by t d increases with increasing ratio of the values of t d / t ramp, Note t 'ramp is the time period of the lamp voltage. The ratio t d / t ramp and the linearity error increase the time t ramp (which requires a lower input current Iin or a larger capacitance Cint or a larger reference voltage Vref) or a delay time t. It can be minimized by either reducing d .
図2は電流・周波数変換器を介しての伝搬遅延に起因する温度測定における弓型線形性エラーを例示したプロットである。本例においては、ランプ時間trampは2μsであると仮定される。図2は、遅延が存在しない場合td=0(理想的な場合)、及び40ns及び80nsの遅延が存在する場合に対する線形性エラーを例示している。このプロットから観察することが可能であるように、遅延時間が80nsである場合には、出力周波数における0.15%p−pの線形性エラーが観察され、それはほぼ667分の1である。11ビットの線形性条件を有するシステムは、1/(211)=0.049%未満のピークツーピーク線形性エラーを必要とし、それは図2において観察される非線形性のほぼ3分の1である。注意すべきことであるが、誘起される線形性エラーは凸状「弓型」形状直線である。 FIG. 2 is a plot illustrating an arched linearity error in a temperature measurement due to propagation delay through a current / frequency converter. In this example, the ramp time t ramp is assumed to be 2 μs. FIG. 2 illustrates the linearity error for the case where there is no delay, t d = 0 (ideal case), and where there are delays of 40 ns and 80 ns. As can be observed from this plot, when the delay time is 80 ns, a linearity error of 0.15% pp at the output frequency is observed, which is approximately 1/667. A system with an 11-bit linearity requirement requires a peak-to-peak linearity error of less than 1 / (2 11 ) = 0.049%, which is approximately one third of the non-linearity observed in FIG. is there. It should be noted that the induced linearity error is a convex “bow” shaped straight line.
図2における線形性エラーの量は遅延時間tdが2倍となる場合にほぼ2倍となる。良好に制御された線形性を具備するシステムを構築するためには、I/F変換器の線形性エラーを比較的固定した状態に維持し、従って固定した線形性補正方法により補正可能であるように、遅延時間が一定であるか又は非常に一定に近いようにI/F変換器を設計することが必要である。従って、本発明の1つの側面によれば、デジタル化温度センサーは、好適には、遅延時間自身を最小とさせることにより、I/F変換器を介しての遅延時間tdにおける変動を最小とするI/F変換器を使用して構成する。 The amount of linearity error in FIG. 2 is almost doubled when the delay time t d is doubled. In order to build a system with well-controlled linearity, the linearity error of the I / F converter is kept relatively fixed and can therefore be corrected by a fixed linearity correction method. In addition, it is necessary to design the I / F converter so that the delay time is constant or very close to constant. Therefore, according to one aspect of the present invention, the digitizing temperature sensor preferably minimizes the variation in the delay time t d through the I / F converter by minimizing the delay time itself. The I / F converter is configured.
I/F変換器の遅延時間tdにより発生される「弓型」形状線形性エラーは、それ自身、凹状「弓型」線形性エラーを示すI/F回路を線形化させる傾向があり、且つ温度センサーシステムの線形化に貢献することを以下に示す。一般的に、本発明の線形性補正方法は、遅延時間tdに起因する弓型線形性エラーの著しい線形性補正を得ようとするものではないが、弓型エラーの存在はデジタル化温度センサーシステム内において必要とされる補正の量を減少させる。従って、デジタル化温度センサーを設計する場合に、最大の線形性補正を得るためにパラメータtdは変化させない。そうではなく、本発明の線形性補正方法は、時間及び温度及び製造プロセスにわたっての遅延時間tdにおける変動が電圧ランプ時間trampの無視可能な部分である範囲へ遅延時間tdを最小化せんとするものである。従って、本発明の線形性補正方法は、時間、温度及び回路処理に関して最適な線形性補正を得るために適用することが可能である。 The “bow” shape linearity error generated by the delay time t d of the I / F converter tends to linearize the I / F circuit exhibiting itself a concave “bow” linearity error, and The following will contribute to the linearization of the temperature sensor system. In general, the linearity correction method of the present invention does not attempt to obtain a significant linearity correction for an arcuate linearity error due to the delay time t d , but the presence of an arcuate error is a digitized temperature sensor. Reduce the amount of correction required in the system. Therefore, when designing a digitized temperature sensor, the parameter t d is not changed to obtain the maximum linearity correction. Rather, the linearity correction method of the present invention does not minimize the delay time t d to the extent that variations in the delay time t d over time and temperature and the manufacturing process are negligible parts of the voltage ramp time t ramp . It is what. Therefore, the linearity correction method of the present invention can be applied to obtain an optimal linearity correction with respect to time, temperature and circuit processing.
注意すべきことであるが、遅延時間項の存在は、又、I/F変換器の出力周波数の勾配及びオフセットに影響を与える。然しながら、勾配及びオフセットエラーは、オフセット及び利得調節パラメータの使用によりデジタルドメインにおいて容易に補正することが可能である。 It should be noted that the presence of the delay term also affects the slope and offset of the output frequency of the I / F converter. However, slope and offset errors can be easily corrected in the digital domain through the use of offset and gain adjustment parameters.
図3は図1の温度検知回路20により発生された温度依存性電流の線形性エラーを例示しているプロットである。上述した如く、温度検知回路20は異なる電流密度で動作する2個のバイポーラトランジスタの使用によりPTAT電流IPTAT及びCTAT電流ICTATを発生する。良く知られたダイオードの方程式は、バイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧Vdeは温度と共に幾分線形的に減少し、異なる電流密度における2個のダイオードのベース・エミッタ電圧△Vbeの間の差は印加される温度と共により線形的な態様で増加することを示す。PTAT電流及びCTAT電流は結合されて一次温度非依存性基準電流Inpoを発生する。
FIG. 3 is a plot illustrating the linearity error of the temperature dependent current generated by the
PTAT電流とCTAT電流とが一次勾配エラーを相殺することとなる重み付けで結合されると、その結果得られる「ゼロ温度係数」基準電流Inpoは、未だに、図3に示した如く、CTAT電流成分の支配的な弓型形状に起因して線形性エラーを示す。図3に示したようなこの線形性エラーの大きさは0.35%P−Pであり、それは興味のある温度センサーシステムに対する所望の最悪の場合の線形性エラーよりもほぼ7倍大きなものである。デジタル化温度センサーの温度非依存性基準電流Inpoの温度に関する非線形性特性は、周波数比デジタル化温度センサー内の最も顕著な線形性劣化である。 When the PTAT current and CTAT current are combined with a weight that will cancel out the first order slope error, the resulting “zero temperature coefficient” reference current Inpo is still the CTAT current component as shown in FIG. It exhibits linearity errors due to the dominant bow shape. The magnitude of this linearity error as shown in FIG. 3 is 0.35% PP, which is almost seven times larger than the desired worst-case linearity error for the temperature sensor system of interest. is there. The non-linear characteristic of the digitized temperature sensor with respect to the temperature independent reference current Inpo is the most significant linearity degradation in the frequency ratio digitized temperature sensor.
図4は本発明の1実施例に基づく図1の周波数比デジタル化温度センサーにおける3ポート線形性補正方法を実現した入力発生回路の概略図である。図4において、入力発生回路100は一対の線形性IDAC110,120を有しており、その場合にデジタル数値KP ADJUST及びKV ADJUSTが印加されてPTAT電流成分の大きさを設定する。入力発生回路100は一対の補正した基準電流を供給して周波数比デジタル化温度センサー10のデジタル出力信号を線形化させると共に安定化された基準周波数を提供する。
FIG. 4 is a schematic diagram of an input generation circuit that implements the three-port linearity correction method in the frequency ratio digitizing temperature sensor of FIG. 1 according to one embodiment of the present invention. In FIG. 4, the
本発明の入力発生回路100の独特の特徴は、基準電圧及び基準電流がバンドギャップ電圧から発生されるものではないと言うことである。その代わりに、基準電流が発生され且つ抵抗を横断して印加されて基準電圧を形成し、その場合に該抵抗の抵抗値は温度に関して著しい変化を示す場合がある。本発明の線形化方法の顕著な特徴は、基準I/F変換器への電流入力において同じ基準電流の同一のコピーを使用しており且つデータI/F変換器用の基準電圧を形成することである。
A unique feature of the
図4を参照すると、入力発生回路100は温度検知回路からPTAT電流IPTAT(ノード22)及びCTAT電流ICTAT(ノード24)を受取る。電流IPTATはバッファ146によって電流Ipとしてミラー動作され且つデジタル化温度センサー10(図1)におけるデータI/F変換器40に対する温度依存性入力電流Idataとして出力ノード132上に供給される。
Referring to FIG. 4,
入力発生回路100は、電流IPTATとICTATとの加重和から一次温度非依存性電流Inpoを発生するための第一加算回路を包含している。特に、電流IPTATはバッファ102へ結合され、そこで電流乗算係数KnpがPTAT電流に対して適用され、且つ電流ICTATがバッファ104へ結合され、そこで電流乗算係数KncがCTAT電流に対して適用される。バッファ102及び104によって発生される電流は加算器106によって加算されてノード108上にInpo電流を発生する。このInpo電流はPTAT電流成分とCTAT電流成分との結合であり、公称的に温度に関して安定である。
入力発生回路100において、データ線形性IDAC110は、PTAT電流の小さなデジタル的にプログラム可能な部分をInpo電流へ加算させることにより第一補正基準電流を発生させるために使用される。特に、バッファ144により電流IPTAT1としてミラー動作される電流IPTATは、データ線形性IDAC110におけるバッファ114へ結合される。バッファ114は補正係数として電流乗算係数Kpを電流IPTAT1で適用してPTAT電流の一部を補正電流として発生させる。バッファ114からのPTAT電流の該一部が、加算器116によってバッファ112によりミラー動作される電流Inpoへ加算されてノード118上に出力電流In 1を発生する。電流In 1は、主に、電流Inpoであるが、PTAT電流の該小さな部分の付加が電流In 1を完全に温度非依存性のものではないものとさせている。実際に、電流In 1は温度安定性であるよりも僅かによりPTATであるようにされており、この電流In 1の性質を利用して温度センサー回路のI/F変換器における時間遅延により発生される線形性エラーを補正する。
In the
第一の補正された基準電流In 1はバッファ119により電流Inとしてミラー動作され、且つデジタル化温度センサー10(図1)における基準I/F変換器50の基準電流Irefとして使用すべく出力ノード136上に供給される。この第一の補正された基準電流In 1の複製物が抵抗Rdataへ印加され、そこで該抵抗を横断しての電圧降下が基準電圧Vdである。基準電圧Vdはデジタル化温度センサー10(図1)におけるデータI/F変換器40の基準電圧Vdataとして出力ノード134上に供給される。このように、第一の補正された基準電圧In 1の同一のコピーが、周波数比デジタル化温度センサーの基準オシレータ用の基準電流及びデータオシレータ用の基準電圧として印加される。
First corrected reference current In 1 is mirrored by
特に、本発明の入力発生回路100は、2個のオシレータに対する基準電圧Vdata及びVrefが電圧基準回路から発生された同一の電圧である従来の周波数比温度センサー回路とは異なっている。本発明によれば、データオシレータ用の基準電圧Vdata及び基準オシレータ用の基準電圧Vrefは別々に発生され、従って、これら2つの電圧は互いに分離されている。基準電圧Vdataは、温度と共に小さな増加を示す温度依存性変化を有するようにされており、一方基準電圧Vrefは温度に関し異なるより大きな増加を示す。
In particular, the
入力発生回路100において、PTAT電流の小さな部分をInpo電流へ付加することにより第二の補正した基準電流を発生するために基準線形性IDAC120が使用される。この第二の補正された基準電流を形成するために使用されるPTAT電流の割合即ち部分は、異なる補正係数即ち電流乗算係数を使用することにより、第一の補正した基準電流を形成するために使用した割合即ち部分とは異なっている。特に、電流IPTAT2としてバッファ142によりミラー動作される電流IPTATは、基準線形性IDAC120におけるバッファ122へ結合される。バッファ122は電流乗算係数Kvを電流IPTAT2へ適用して別の補正電流としてPTAT電流の一部を発生させる。バッファ122からのそのPTAT電流の部分は、加算器126によってバッファ124によりミラー動作される電流Inpoへ加算されてノード128上に出力電流Ivrを発生する。電流Ivrは、主に、電流Inpoであるが、PTAT電流の該小さな部分の付加が電流Ivrを僅かにPTATであるようにさせている。
In the
この第二の補正した基準電流Ivrは抵抗Rrefへ印加され、そこで該抵抗を横断しての電圧降下は基準電圧Vrである。基準電圧Vrは、デジタル化温度センサー10(図1)における基準I/F変換器50の基準電圧Vrefとして出力ノード138上に供給される。基準オシレータ用の基準電圧Vrefを発生するために第二の補正した基準電流Ivrを使用することにより、温度安定化させた基準周波数が得られる。
This second corrected reference current Ivr is applied to the resistor Rref, where the voltage drop across the resistor is the reference voltage Vr. The reference voltage Vr is supplied on the
図4の入力発生回路100においては、バッファ112,119,124,142,144,146のような単位利得バッファが電流複製のために使用されおり、且つ単位利得増幅器として又は単位寸法カレントミラーとして構成することが可能である。更に、単位利得バッファ112,119,124,142,144,146は、入力電流の複製物を発生するために電流の複製が必要とされる箇所に設けられている。回路動作のために電流の複製が必要でない場合にはこれらの単位利得バッファを省略することが可能である。必要である場合に入力電流の複製物を作るために単位利得バッファ又は単位寸法カレントミラーを使用することは当該技術分野において良く知られている。更に、本発明の入力発生回路の実際の構成においては、出力電流のために使用されるか又は抵抗へ印加される電流は、最初に発生させた電流又は最初に発生させた電流の複製物とすることが可能であることが理解される。即ち、最初に発生させた電流又は与えられたノードにおける電流の複製物の使用は交換可能であり且つ本発明の実施にとって臨界的なものではない。
In the
温度非依存性電流Inpoを形成するための電流乗算係数Knp及びKncは従来の態様で派生させることが可能である。電流乗算係数(補正係数)Kv及びKpは、以下に説明するように数学的に、又はシミュレーション又は装置特性付けを介して経験的に派生させることが可能である。乗算係数Kv及びKpが数学的に又はシミュレーションを介して派生される場合には、実際的に実現する場合に値の微調整が必要である場合がある。 The current multiplication factors Knp and Knc for forming the temperature independent current Inpo can be derived in a conventional manner. The current multiplication factors (correction factors) Kv and Kp can be derived mathematically as described below or empirically through simulation or device characterization. If the multiplication factors Kv and Kp are derived mathematically or through simulation, fine tuning of the values may be necessary when actually realized.
図4の入力発生回路100が図1の温度センサー内に組み込まれる場合には、線形性及び基準クロック安定性が補正された温度センサーが実現される。該温度センサーは、又、オシレータにおける時間遅延に起因する線形性エラーを補正すべく動作する。図4の入力発生回路100を使用して構成されるデジタル化温度センサー10の動作特性について説明する。温度センサーのデジタル出力信号ADCOUTは、比較器内の時間遅延が無視可能なものでない場合に対して、以下の如くに書くことが可能である。
When the
次のような仮定、即ちCdata=Cref=C、Rdata=Rref=R、In=In 1、td_data=td_ref=tdが仮定される場合には、式(4)における表現を簡単化させることが可能である。注意すべきことであるが、電流IpはPTAT電流Idataと同じである。デジタル出力信号ADCOUTに対する簡単化した式は以下の如くである。 The following assumptions are made: Cdata = Cref = C, Rdata = Rref = R, In = In When 1, t d_data = t d_ref = t d is assumed, the expression in equation (4) can be simplified. It should be noted that the current Ip is the same as the PTAT current Idata. A simplified equation for the digital output signal ADCOUT is as follows:
遅延時間tdがゼロであると仮定される場合には、式(5)は更に次の如くに簡単化される。 If the delay time t d is assumed to be zero, equation (5) is further simplified as follows.
温度センサーに対して線形性補正が適用されない場合には(即ち、Kv=Kp=0)、図3に示したような温度非依存性電流Inpoが、基準オシレータとデータオシレータの両方に対する基準電圧Vdata及びVrefを発生するために使用され、又基準オシレータの基準電流Irefとして使用される。即ち、In=Ivr=Inpoである。上の式(6)から観察することが可能であるように、電流Inpoの線形性はADC伝達関数の分母に影響を与える。PTAT電流IpがデータI/F変換器の電流入力に印加されると、その線形性は式(6)の分子に影響を与える。従って、その結果得られるADC線形性エラーは電流InpoにおけるCTAT「弓型」エラーの逆数により発生される付加的な「弓型」エラーと加算されたPTAT電流の弓型エラーにより発生される拡大された「弓型」エラーである。 When linearity correction is not applied to the temperature sensor (ie, Kv = Kp = 0), the temperature-independent current Inpo as shown in FIG. 3 becomes the reference voltage Vdata for both the reference oscillator and the data oscillator. And Vref are used to generate the reference current Iref of the reference oscillator. That is, In = Ivr = Inpo. As can be observed from equation (6) above, the linearity of the current Inpo affects the denominator of the ADC transfer function. When PTAT current Ip is applied to the current input of the data I / F converter, its linearity affects the numerator of equation (6). Thus, the resulting ADC linearity error is expanded by the bow error of the PTAT current added to the additional “bow” error generated by the inverse of the CTAT “bow” error at the current Inpo. There is a “bow” error.
図5は、非補正型温度センサーと比較した場合の線形化温度センサーからの温度出力信号の温度エラーを例示したプロットである。図5を参照すると、電流Inpoが基準I/F変換器への入力電流として直接的に使用され且つ両方のI/F変換器用の基準電圧Vdata及びVrefを発生するために直接使用される場合には、結果的に得られる温度測定は図5における「補正なし」曲線により示されるような線形性エラーを有している。ピークツーピークエラーは0.955%であり、それは−25乃至85℃の温度範囲に対して1.05℃p−pと等価であり、典型的なシステムにおける最悪の場合の許容可能な線形性エラーよりも約20倍より大きい。 FIG. 5 is a plot illustrating the temperature error of the temperature output signal from the linearized temperature sensor when compared to an uncorrected temperature sensor. Referring to FIG. 5, when the current Inpo is used directly as the input current to the reference I / F converter and directly used to generate the reference voltages Vdata and Vref for both I / F converters. The resulting temperature measurement has a linearity error as shown by the “no correction” curve in FIG. The peak-to-peak error is 0.955%, which is equivalent to 1.05 ° C.pp for a temperature range of −25 to 85 ° C., and worst case acceptable linearity in a typical system. About 20 times greater than the error.
然しながら、温度センサーに対して線形性補正が適用される場合には(即ち、Kv及びKop≠0)、デジタル化温度センサーの線形性エラーは、図5における「補正あり」曲線によって示されるようにほぼ完全に取除かれている。図5における補正された曲線において観察される線形性エラーは無視可能なものであり、それにより温度センサー測定における高精度を確保している。 However, when linearity correction is applied to the temperature sensor (ie, Kv and Kop ≠ 0), the linearity error of the digitized temperature sensor is as shown by the “corrected” curve in FIG. Almost completely removed. The linearity error observed in the corrected curve in FIG. 5 is negligible, thereby ensuring high accuracy in the temperature sensor measurement.
図4の入力発生回路100は、3ポート線形性補正方法を実現しており、その場合に、基準周波数はデジタル温度出力の線形化と共に安定化されている。基準周波数補正は、I/F変換器を形成するために使用される抵抗及びコンデンサの非理想的特性のために与えられている。本発明の3ポート線形性補正方法を使用してのデジタル温度測定の線形性補性と共に基準周波数の補正は次の如くに動作する。
The
典型的な廉価なCMOSプロセスから構成される半導体集積回路は、通常、温度に関して良好な安定性を有する使用可能な抵抗を有するものではない。ニクロム(Nichrome)又はシクロム(Sichrome)等の金属の薄膜から製造される抵抗であっても、典型的に、100ppm/℃の程度の温度に対して殆ど線形的な抵抗値変化を示す。100℃の範囲にわたり、このような抵抗の値は1%だけ変化する場合がある。このような抵抗がI/F変換器における基準抵抗Rrefを形成するために使用される場合には、抵抗Rrefの抵抗値におけるこの小さな線形的な変化であっても、基準周波数を線形及び非線形成分の両方と共に変化させる傾向となる。これは基準周波数伝達関数の分母において抵抗値が存在していることに起因している。第一に、基準抵抗Rrefの抵抗値は、固定抵抗値成分と温度により変化する成分とによって次式の如くに表現することが可能である。 Semiconductor integrated circuits composed of typical inexpensive CMOS processes usually do not have usable resistors with good temperature stability. Even resistors made from a thin film of a metal such as Nichrome or Sichrome typically exhibit an almost linear resistance change for temperatures on the order of 100 ppm / ° C. Over the range of 100 ° C., the value of such resistance may vary by 1%. If such a resistor is used to form the reference resistor Rref in the I / F converter, the reference frequency can be made linear and non-linear components even with this small linear change in the resistance value of the resistor Rref. It tends to change with both. This is due to the presence of a resistance value in the denominator of the reference frequency transfer function. First, the resistance value of the reference resistor Rref can be expressed by the following equation using a fixed resistance component and a component that varies with temperature.
従って、このような基準抵抗を組み込んだ基準I/F変換器の出力周波数Frefは次式で与えられる。 Accordingly, the output frequency Fref of the reference I / F converter incorporating such a reference resistor is given by the following equation.
I/F変換器におけるコンデンサCrefの容量の値における変化は基準周波数と同様の効果を有している。注意すべきことであるが、抵抗Rref及びRdataに同一の影響を与える変化、又はコンデンサCref及びCdataに同一の影響を与える変化は、デジタル化した温度測定値の線形性に著しく影響を与えるものではなく(上の式(6)参照)、然し抵抗Rrefの抵抗値における変化又はコンデンサCrefの容量における変化は基準クロック周波数を変化させる。抵抗Rref又はコンデンサCrefのいずれかが興味のある温度範囲にわたって示す逸れがかなり小さなものである場合であっても温度線形性エラーを最小としながら最適で安定な基準クロック周波数を得るために、基準I/F変換器への入力信号のうちの一方を本発明の線形性補正方法の一部として調節する。 The change in the capacitance value of the capacitor Cref in the I / F converter has the same effect as the reference frequency. It should be noted that changes that have the same effect on resistors Rref and Rdata, or changes that have the same effect on capacitors Cref and Cdata, do not significantly affect the linearity of the digitized temperature measurement. Without (see equation (6) above), however, a change in the resistance value of the resistor Rref or a change in the capacitance of the capacitor Cref changes the reference clock frequency. In order to obtain an optimal and stable reference clock frequency while minimizing temperature linearity error even if either the resistor Rref or the capacitor Cref exhibits a fairly small deviation over the temperature range of interest, the reference I One of the input signals to the / F converter is adjusted as part of the linearity correction method of the present invention.
より詳細に説明すると、図4に例示した3ポート線形性補正方法は、基準電圧Vrefを発生するために使用する第二の補正した基準電流の発生を包含している。このように、基準周波数の安定性は第一の補正した基準電流を介してデジタル温度測定に対して線形性補正が適用されるのと同時に基準周波数の安定性が改善される。 More specifically, the three-port linearity correction method illustrated in FIG. 4 includes the generation of a second corrected reference current used to generate the reference voltage Vref. Thus, the stability of the reference frequency is improved at the same time that the linearity correction is applied to the digital temperature measurement via the first corrected reference current.
図4の入力発生回路100により与えられる補正は、2つの補正した基準電流In(又はIn 1)及びIvrを形成することが関与しており、その場合に、PTAT電流の小さな部分が電流Inpoへ加算されて電流Inを形成し且つPTAT電流の異なる小さな部分が電流Inpoへ加算されて電流Ivrを形成する。これら2つの補正された基準電流は次式の如くに表現することが可能である。
The correction provided by the
上の式を式(5)に代入し且つ再度遅延時間tdが0であると仮定すると、デジタル出力信号ADCOUTに対して簡単化した形態は次式の如くに与えられる。 Assuming that the above equation is substituted into equation (5) and that the delay time t d is again 0, a simplified form for the digital output signal ADCOUT is given by:
2つの小さな定数Kp及びKvは、温度センサーシステムの線形性エラーを減少させ且つ基準クロック周波数に対する擾乱を最小とすべく選択されねばならない。本発明の3ポート線形性補正方法の実現は、システム全体における線形性エラー及び精密性エラーを最小とするために温度センサーに対する適切な組のパラメータKp,Kv,Ncを決定することを必要とする。パラメータKp,Kv,Ncを数学的に決定すること及びシステムにおける数値解析の適用について次に説明する。 The two small constants Kp and Kv must be chosen to reduce the linearity error of the temperature sensor system and minimize the disturbance to the reference clock frequency. Implementation of the three-port linearity correction method of the present invention requires determining an appropriate set of parameters Kp, Kv, Nc for the temperature sensor to minimize linearity and precision errors in the overall system. . The mathematical determination of the parameters Kp, Kv, Nc and the application of numerical analysis in the system will now be described.
パラメータKp,Kv,Ncの導出は、正規化した電流値を有する入力発生回路の使用によりより良く説明される。図6は本発明の1実施例に基づく図1の周波数比デジタル化温度センサー用の入力発生回路の概略図である。図6を参照すると、入力発生回路200は、線形性IDAC回路において適用される電流乗算係数を除いて、図4の入力発生回路100と同一の態様で構成されている。図6において、第一及び第二の補正した電流は、温度センサーを介して各電流に対し一定の全体的な電流の大きさを維持するために正規化されている。即ち、入力発生回路100において、一部であるKp×IPTAT電流が電流Inpoへ加算されると、その結果得られる補正された基準電流In 1は必然的に増加された電流の大きさを有する。補正された基準電流Ivrについても同じことが言える。幾つかの適用例において、この増加された電流の大きさは望ましいものではない。その場合には、図6の入力発生回路200を使用することが可能であり、この場合には、基準電流は温度センサーシステムにわたって一定の大きさを維持する。
The derivation of the parameters Kp, Kv, Nc is better explained by the use of an input generation circuit with normalized current values. 6 is a schematic diagram of an input generation circuit for the frequency ratio digitizing temperature sensor of FIG. 1 according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, the
入力発生回路200は、正規化した第一の補正した基準電流In 1を供給するためのデータ線形性IDAC210と、正規化した第二の補正した基準電流Ivrを供給するための基準線形性IDAC220を包含している。データ線形性IDAC210において、バッファ214は電流乗算係数KpをPTAT電流IPTAT1に適用してPTAT電流の第一フラクション、即ち第一の一部を発生する。バッファ212は1−Kpの電流乗算係数を温度非依存性電流Inpoへ適用してKpの量だけ大きさが減少されているINPO電流を供給する。バッファ212及び214からの電流出力は加算器216によって加算されてモード218上に第一の補正された基準電流In 1を発生し、その場合に電流In 1は電流Inpoと同じである最終的な電流の大きさを有している。従って、電流In 1は、基準オシレータの入力電流Irefとして使用され、且つ上述したのと同じ態様で、データオシレータに対する基準電圧Vdataを発生するために使用される。
The
基準線形性IDAC220において、バッファ222は電流乗算係数KvをPTAT電流IPTAT2に適用してPTAT電流の第二フラクション即ち第二の一部を発生する。バッファ222は1−Kvの電流乗算係数を温度非依存性電流Inpoへ適用してKvの量だけ大きさが減少されているINPO電流を供給する。バッファ222及び224からの電流出力が加算器226によって加算されてノード228上に第二の補正された基準電流Ivrを発生し、その場合電流Ivrは電流Inpoと同じである最終的な電流の大きさを有している。次いで、電流Ivrは、上述したのと同一の態様で基準オシレータ用の基準電圧Vrefを発生するために使用される。
In the
次に、パラメータKp,Kv,Ncの決定について説明する。本発明の周波数比デジタル化温度センサー用の3ポート線形性補正方法は、基準電圧Vdataを発生するために使用され且つ電流Irefとして使用される補正された電流の温度係数と異なる温度係数を有する電圧Vrefを発生するために抵抗Rrefに対して補正した電流を供給することにより、温度デジタル化線形性エラーを最小に維持しながら、より安定な基準クロック周波数を提供する。基準周波数における変動を最小とさせるために、基準オシレータ用の補正した電流が容量及び抵抗のドリフトに起因する変動をできるだけ多く相殺することが望ましい。 Next, determination of the parameters Kp, Kv, and Nc will be described. The three-port linearity correction method for a frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention uses a voltage having a temperature coefficient different from the temperature coefficient of the corrected current used to generate the reference voltage Vdata and used as the current Iref. Supplying a corrected current to resistor Rref to generate Vref provides a more stable reference clock frequency while keeping temperature digitization linearity errors to a minimum. In order to minimize variations in the reference frequency, it is desirable that the corrected current for the reference oscillator cancel as much as possible the variations due to capacitance and resistance drift.
第1に、基準オシレータの抵抗値Rref及び容量値Crefに関する一次及び二次温度効果を含む正規化した関数は以下の如くに与えられる。 First, a normalized function including primary and secondary temperature effects for the reference oscillator resistance value Rref and capacitance value Cref is given as follows.
式(9)及び(10)の2つの正規化した関数は互いに乗算されてRn(T)Cn(T)
を形成する。次に、第二の補正した電流Ivrに対する第一の補正した電流Inの比が正規化したRnCn関数に等しくセットされると、最も安定な基準周波数が得られる。従って、3ポート線形性補正方法の第一の設計拘束条件は以下の如くに与えられる。
The two normalized functions of equations (9) and (10) are multiplied together to yield Rn (T) Cn (T)
Form. Next, when the ratio of the first corrected current In to the second corrected current Ivr is set equal to the normalized RnCn function, the most stable reference frequency is obtained. Accordingly, the first design constraint condition of the three-port linearity correction method is given as follows.
式(11)において定義されるレシオメトリック拘束条件は以下の如くに別の形態で規定することが可能である。 The ratiometric constraint defined in equation (11) can be defined in another form as follows.
次に、デジタル化温度センサーのデジタル出力信号ADCOUTの伝達関数を記述する上の式(5)を使用して第二の拘束条件を派生させる。デジタル化温度センサーの場合には、所望の温度範囲Tにわたってデジタル出力信号ADCOUTが何等かの利得定数×Tとして定義される線形関数であることが望ましい。説明の便宜上、1の値を有する利得定数「a」がNcで割算されるものと仮定する。オフセットエラーは線形性に影響を与えるものではないので無視すると、所望の線形性方程式は温度Tの範囲に対して以下の如くに記載することが可能である。 The second constraint is then derived using equation (5) above describing the transfer function of the digitized temperature sensor digital output signal ADCOUT. In the case of a digitized temperature sensor, it is desirable for the digital output signal ADCOUT to be a linear function defined as some gain constant × T over the desired temperature range T. For convenience of explanation, it is assumed that a gain constant “a” having a value of 1 is divided by Nc. If the offset error does not affect the linearity and is ignored, the desired linearity equation can be written as follows for the temperature T range.
式(13)は3ポート線形性補正方法を使用して温度範囲Tにわたって周波数比デジタル化温度センサーを線形化させるための一般的な第二拘束条件を形成するために書き直し且つ簡単化させることが可能である。第二設計拘束条件は以下の如くに表わされる。 Equation (13) can be rewritten and simplified to form a general second constraint for linearizing a frequency ratio digitizing temperature sensor over a temperature range T using a three-port linearity correction method. Is possible. The second design constraint condition is expressed as follows.
従って、基準電圧Vdata及び基準電流Irefの両方として使用される基準電流Inに対するPTAT電流Itの比を適切に選択することにより、デジタル化温度センサーの線形性を最適化させることが可能である。この比の一般的な場合の最適な選択は、今や、データI/F変換器における等価のRC積に対する遅延時間の比に部分的に依存する。電流比の最適な選択も利得パラメータaの各選択した値に対して別々である。比Ivr/Inは第一拘束条件に対する式により前に決定されている。 Therefore, it is possible to optimize the linearity of the digitized temperature sensor by appropriately selecting the ratio of the PTAT current It to the reference current In used as both the reference voltage Vdata and the reference current Iref. The optimal choice of this ratio in the general case now depends in part on the ratio of the delay time to the equivalent RC product in the data I / F converter. The optimum selection of the current ratio is also separate for each selected value of the gain parameter a. The ratio Ivr / In has been previously determined by the equation for the first constraint.
上述した2つの拘束条件を使用して、補正パラメータKv及びKpの最善の選択及び例示的な温度センサーシステムに対する利得調節パラメータNc及びオフセットを決定する。数学的計算を簡単化させるために、図6の正規化した入力発生回路を使用する。第一拘束条件は上の式(12)により定義される電流比Ivr/Inを必要とし以下に繰り返して記載してある。 The two constraints described above are used to determine the best choice of correction parameters Kv and Kp and the gain adjustment parameter Nc and offset for the exemplary temperature sensor system. In order to simplify mathematical calculations, the normalized input generation circuit of FIG. 6 is used. The first constraint condition requires the current ratio Ivr / In defined by equation (12) above and is repeated below.
正規化した多項式形式における式は、興味のある温度範囲にわたって正規化したR及びCの測定するか又はシミュレートさせた値に対して曲線を当て嵌めることにより得ることが可能である。システムを線形化させるために上の第二拘束条件を定義する式を使用するために、見つけることが必要な第一の未知の事項は電流Inであり、それは次式により与えられる。 The equation in normalized polynomial form can be obtained by fitting a curve to the measured or simulated values of R and C normalized over the temperature range of interest. To use the equation defining the second constraint above to linearize the system, the first unknown that needs to be found is the current In, which is given by:
式(16)はInの再帰的関数であるが、比Ivr/Inは、第一拘束条件の式(15)から近似的な多項式形式で決定することが可能である。式(16)内に式(15)を代入することにより、変数Inが式(16)の右辺から取除かれる。この代入は式(16)をInに対して直接的に解くことを可能とする。式(16)において、Tは摂氏の温度における温度変数である。注意すべきことであるが、上の式(16)における4つの電流項の全ては温度Tの関数である。電流IpはPTAT電流でありその温度Tに関しての多項式は異なる温度において採取された電流Ipの測定値に対して曲線を当て嵌めることにより記述することが可能である。抵抗値Rは基準I/F変換器への基準電圧入力において使用される抵抗Rrefの抵抗値であり且つ温度Tの関数である。容量値Cは基準I/Fにおける集積コンデンサCrefの容量値であり且つ温度Tの関数である。Tdはデータ又は基準I/F変換器内の一定の遅延時間である。最後に、利得パラメータ「a」は、線形化処理の後に出力範囲を再正規化するために選択される。 Equation (16) is a recursive function of In, but the ratio Ivr / In can be determined in approximate polynomial form from Equation (15) of the first constraint. By substituting Equation (1 5) in equation (16), the variable In is removed from the right side of equation (16). This substitution allows equation (16) to be solved directly for In. In equation (16), T is a temperature variable at a temperature in Celsius. It should be noted that all four current terms in equation (16) above are functions of temperature T. The current Ip is a PTAT current and its polynomial with respect to temperature T can be described by fitting a curve to the measured values of current Ip taken at different temperatures. The resistance value R is the resistance value of the resistor Rref used at the reference voltage input to the reference I / F converter and is a function of the temperature T. The capacitance value C is a capacitance value of the integrated capacitor Cref at the reference I / F and is a function of the temperature T. T d is a fixed delay time in the data or reference I / F converter. Finally, the gain parameter “a” is selected to renormalize the output range after the linearization process.
本例においては、再正規化利得調節は、変換当りの基準周期の数Ncを調節することによりデジタル的に実現される。1実施例においては、8個のLSBが1℃を形成するように出力データを正規化させることが便利である。従って、利得パラメータ「a」は次の如くに定義される。 In this example, the renormalization gain adjustment is implemented digitally by adjusting the number of reference periods Nc per conversion. In one embodiment, it is convenient to normalize the output data such that 8 LSBs form 1 ° C. Accordingly, the gain parameter “a” is defined as follows.
式(16)及び(17)を結合して次式を与えることが可能である。 Equations (16) and (17) can be combined to give:
上の式(18)におけるパラメータIp,R(T),C(T)が全てそれらの曲線に当て嵌められた多項式により置換されると、Inに対して近似的な多孔式表現を得ることが可能であり、それは興味のある温度範囲にわたって変数Tの関数であり且つ利得カウントパラメータNcの関数である。 If the parameters I p , R (T), C (T) in equation (18) above are all replaced by polynomials fitted to those curves, we get an approximate porous expression for In Is possible, which is a function of the variable T over the temperature range of interest and a function of the gain count parameter Nc.
本発明の線形性補正を実現する場合に、その目標とするところは温度出力信号が線形化されるように電流Inを形成するために温度非依存性Inpo電流へ付加されねばならないエキストラなPTAT電流のある量を見つけることである。数学的処理を簡単化させるために、Inpo,Ip,R(T),C(T)の値は全てT=0℃において1である正規化された関数であると仮定する。正規化した補正電流Inを形成するために、図6及び以下の式(19)に示されるように、PTAT成分を量Kpだけ増加させる場合に一定のInpo成分を減少させることが必要である。 When implementing the linearity correction of the present invention, the goal is an extra PTAT current that must be added to the temperature independent Inpo current to form the current In so that the temperature output signal is linearized. Is to find a certain amount of. To simplify the mathematical process, assume that the values of Inpo, Ip, R (T), C (T) are all normalized functions that are 1 at T = 0 ° C. In order to form the normalized correction current In, it is necessary to decrease the constant Inpo component when the PTAT component is increased by an amount Kp, as shown in FIG. 6 and the following equation (19).
上の式(19)におけるKpについて解くと次式が得られる。 Solving for Kp in equation (19) above yields:
同様に、正規化した補正電流Ivrについて解くことにより次式が得られる。 Similarly, the following equation is obtained by solving for the normalized correction current Ivr.
In,R(T),C(T)の多項式形式から補正電流Ivrを近似的な多項式形式で表わすことが可能である。再度、所望の正規化した補正電流Ivrを得るためにInpo電流に対してPTAT電流の小さな一部を付加させることにより補正を実現することが可能である。 The correction current Ivr can be expressed in an approximate polynomial form from the polynomial form of In, R (T), C (T). Again, correction can be achieved by adding a small portion of the PTAT current to the Inpo current to obtain the desired normalized correction current Ivr.
電流Inpo及びIpに対する近似的な多項式は温度にわたり電流を測定することにより決定され、且つ電流In及びIvrを記述する多項式は電流Inpo及びIpに対する多項式から数学的に決定することが可能である。これらの多項式を上の式に代入し且つ既知の温度T及び利得カウントNcにおいて評価すると、温度及び利得カウントNcの各対の値においてKp及びKvの同時的な推定値を得ることが可能である。Kp及びKvの値から、近似的な電流Ivr′及びIn′を決定することが可能であり且つ温度センサーの結果的に得られる線形性エラー及び基準クロックドリフトを温度にわたり計算するか又は物理的に測定することが可能である。 An approximate polynomial for the currents Inpo and Ip is determined by measuring the current over temperature, and a polynomial describing the currents In and Ivr can be mathematically determined from the polynomials for the currents Inpo and Ip. Substituting these polynomials into the above equation and evaluating at a known temperature T and gain count Nc, it is possible to obtain simultaneous estimates of Kp and Kv at each pair of temperature and gain count Nc values. . From the values of Kp and Kv, approximate currents Ivr ′ and In ′ can be determined and the resulting linearity error and reference clock drift of the temperature sensor can be calculated over temperature or physically It is possible to measure.
Kp,Kv,Nc,オフセット調節(Offset Adjust)に対する最善の組の値を決定するための1つの便利な方法は、上の式を使用してNcの各ターゲット値におけるKp及びKvの推定値を同時的に計算し、次いでこれらの推定された値を使用した場合の興味のある温度範囲にわたっての温度センサーにより示される結果的に得られる線形性及びオフセットを検査することである。線形性エラー及び必要とされるオフセット補正は、典型的に、適宜のI/F変換器及び上のADCOUT伝達関数方程式内に代入される電流を記述する多項式の直接的コンピュータ評価の使用により得られる。 One convenient way to determine the best set of values for Kp, Kv, Nc, Offset Adjustment is to use the above formula to estimate Kp and Kv at each target value of Nc. Calculate simultaneously and then examine the resulting linearity and offset exhibited by the temperature sensor over the temperature range of interest when using these estimated values. The linearity error and the required offset correction are typically obtained by use of a suitable I / F converter and a direct computer evaluation of a polynomial describing the current substituted into the ADCOUT transfer function equation above. .
図7−10は図6の入力発生回路を組み込んだ図1のデジタル化温度センサーに対する利得カウントNcの各値における種々のシステム特性の評価を例示している。図7は図1及び6の周波数比デジタル化温度センサーに対する利得カウントNcの関数として℃におけるピークツーピーク線形性温度エラーを例示したプロットである。図8は図1及び6の周波数比デジタル化温度センサーに対する利得カウントNcの関数として基準周波数における変化を例示したプロットである。図9は、図1及び6の周波数比デジタル化温度センサーに対する利得カウントNcの関数として補正係数Kp,Kv及びオフセット調節の数値を例示したプロットである。図10は、図7−9を使用して選択した補正係数を使用して実現される図1及び6の周波数比デジタル化温度センサーに対するデジタル化した温度エラー−温度を例示したプロットである。 FIGS. 7-10 illustrate the evaluation of various system characteristics at each value of gain count Nc for the digitized temperature sensor of FIG. 1 incorporating the input generation circuit of FIG. FIG. 7 is a plot illustrating the peak-to-peak linearity temperature error in degrees C as a function of gain count Nc for the frequency ratio digitized temperature sensor of FIGS. FIG. 8 is a plot illustrating the change in reference frequency as a function of gain count Nc for the frequency ratio digitized temperature sensor of FIGS. FIG. 9 is a plot illustrating correction factors Kp, Kv and offset adjustment values as a function of gain count Nc for the frequency ratio digitized temperature sensor of FIGS. FIG. 10 is a plot illustrating the digitized temperature error-temperature for the frequency ratio digitized temperature sensor of FIGS. 1 and 6 implemented using the correction factor selected using FIGS. 7-9.
図7から理解されるように、Ncの1つの最適値においてシステムの線形性エラーにおいて最小値が存在しており、それはKp及びKv及びオフセット調節の同時的な最適推定値を発生する。図8に示されるように、Kv,Kpにおける同時的な変化と共にNcが変化する場合には基準クロック周波数のピークツーピーク安定性は著しく変化するものではない。Ncの関数としてKp,Kv及びオフセット調節の計算したターゲット値であり、オフセット調節はフルスケール範囲の百分率として示したものが図9に示してある。最小温度エラーとなったNcの値におけるKv,Kp,Nc,オフセット調節の値(即ち、ドット付きボックス内の値)を選択することにより、−25乃至85℃の範囲にわたり±0.05℃温度エラー未満の温度センサーを図10に示した如くに得ることが可能である。 As can be seen from FIG. 7, there is a minimum in the linearity error of the system at one optimal value of Nc, which generates simultaneous optimal estimates of Kp and Kv and offset adjustment. As shown in FIG. 8, when Nc changes with simultaneous changes in Kv and Kp, the peak-to-peak stability of the reference clock frequency does not change significantly. FIG. 9 shows Kp, Kv and the calculated target value of the offset adjustment as a function of Nc, the offset adjustment being expressed as a percentage of the full scale range. By selecting the Kv, Kp, Nc, and offset adjustment values (ie, the values in the dotted box) for the Nc value that resulted in the minimum temperature error, a temperature of ± 0.05 ° C over a range of -25 to 85 ° C A temperature sensor with less error can be obtained as shown in FIG.
図11は図7−9を使用して選択した補正係数を使用して実現した図1−6の周波数比デジタル化温度センサーに対して温度にわたって基準周波数における百分率変化を例示したプロットである。図11から理解されるように、−25乃至85℃の範囲にわたる基準周波数のピークツーピーク周波数エラーは0.06%に過ぎない。 FIG. 11 is a plot illustrating the percentage change in the reference frequency over temperature for the frequency ratio digitized temperature sensor of FIGS. 1-6 implemented using the correction factor selected using FIGS. 7-9. As can be seen from FIG. 11, the peak-to-peak frequency error of the reference frequency over the range of −25 to 85 ° C. is only 0.06%.
上の説明において、周波数比デジタル化温度センサーを3ポート線形性補正方法を実現する場合について説明している。幾つかの適用例においては、基準周波数の安定性は臨界的なものではない。本発明のデジタル化温度センサーを使用する適用例が基準周波数における中程度な変動、例えば約1.25%のピークツーピーク変動を許容することが可能である場合には、2ポート線形性補正方法を適用することが可能である。2ポート線形性補正方法においては、1つの補正された基準電流のみが発生され且つ基準周波数は補正されないままとされる。従って、3ポート線形性補正方法と比較して、2ポート線形性補正方法は実施上より簡単化されており、且つ幾つかの適用例においては有益的に適用することが可能である。 In the above description, the frequency ratio digitizing temperature sensor is described as implementing a 3-port linearity correction method. In some applications, the stability of the reference frequency is not critical. If the application using the digitized temperature sensor of the present invention can tolerate moderate variations in the reference frequency, eg, about 1.25% peak-to-peak variation, then a two-port linearity correction method It is possible to apply. In the two-port linearity correction method, only one corrected reference current is generated and the reference frequency is left uncorrected. Therefore, compared to the three-port linearity correction method, the two-port linearity correction method is simplified in practice and can be beneficially applied in some applications.
図12は本発明の第三実施例に基づく図1の周波数比デジタル化温度センサーに対して2ポート線形性補正を実現した入力発生回路の概略図である。図12を参照すると、入力発生回路300は、基準線形性IDACを省略した点を除いて、図4の入力発生回路100と同一の態様で構成されている。従って、2ポート線形性補正方法においては、電流Inpo(ノード308)とPTAT電流IPTAT1345のKpフラクション(割合部分)とを加算することにより発生される補正された基準電流In 1(ノード318)は、基準オシレータの基準電流Irefとデータオシレータの基準電圧Vdataを修正するために同時的に使用される。特に、補正された基準電流In 1はバッファ319によりミラー動作されて電流Inを形成し、それは基準オシレータに対する入力基準電流Iref(ノード336)として使用される。補正された基準電流In 1は抵抗Rdataへ印加されてデータオシレータに対する基準電圧Vdata(ノード334)を発生させる。
FIG. 12 is a schematic diagram of an input generation circuit that implements two-port linearity correction for the frequency ratio digitizing temperature sensor of FIG. 1 according to a third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, the
然しながら、基準オシレータに対する基準電圧Vref(ノード338)は、温度非依存性電圧Inpoを基準抵抗Rrefに対して直接的に印加させることにより発生される。従って、2ポート線形性補正方法においては、補正係数Kpのみが必要とされ且つ補正係数Kvは必要ではない。 However, the reference voltage Vref (node 338) for the reference oscillator is generated by applying a temperature independent voltage Inpo directly to the reference resistor Rref. Therefore, in the 2-port linearity correction method, only the correction coefficient Kp is required and the correction coefficient Kv is not required.
図12の入力発生回路300において、補正された基準電流Inは次式で与えられる。
In the
デジタル出力信号ADCOUTに対する伝達関数は、I/F変換器を介しての時間遅延tdが無視可能なものであると仮定すると、次式で与えられる。 The transfer function for the digital output signal ADCOUT is given by the following equation assuming that the time delay t d through the I / F converter is negligible.
式(24)における伝達関数の線形性は、単一の定数Kpの値の調節により調節することが可能である。Kpを増加させると、線形性が益々弓型となる伝達関数が得られ、そのことは補正されていないシステムの本来的な「お椀」形状のエラーを相殺する。2ポート線形性補正方法を使用して得られる弓型補正の量は、3ポート線形性補正方法を使用する場合よりも一層顕著である。1実施例においては、3ポート線形性補正方法を使用して適用される補正係数はKp=0.14193、Kv=0.1833、Nc=2630及びオフセット≒0LSBである。2ポート線形性補正方法を使用した場合に同一の線形性補正結果を達成するためには、適用される補正係数はKp=0.0475、Kv=0、Nc=2613及びオフセット≒0LSBである。注意すべきことであるが、同一の線形性補正結果に対し、3ポート方法におけるよりも2ポート線形性補正方法においてより小さな値のKpが必要とされているということは、デジタル温度測定値を線形化するためにInpo電流へ加算されることが必要なPTAT電流の量はより少ないことを意味している。実際に、シミュレーション結果に基づいて、2ポート線形性補正方法は、実際に、僅かにより良好な結果を発生しており、3ポート線形性補正方法の場合には0.089℃p−pであるのに対して0.0847℃p−pのエラーである。 The linearity of the transfer function in equation (24) can be adjusted by adjusting the value of a single constant Kp. Increasing Kp results in a transfer function whose linearity becomes increasingly bowed, which cancels out the inherent “bowl” shape error of the uncorrected system. The amount of bow correction obtained using the two-port linearity correction method is even more pronounced than when using the three-port linearity correction method. In one embodiment, the correction factors applied using the three-port linearity correction method are Kp = 0.14193, Kv = 0.1833, Nc = 2630, and offset≈0LSB. In order to achieve the same linearity correction result when using the two-port linearity correction method, the applied correction factors are Kp = 0.0475, Kv = 0, Nc = 2613 and offset≈0LSB. It should be noted that for the same linearity correction results, a smaller value of Kp is required in the two-port linearity correction method than in the three-port method. This means that the amount of PTAT current that needs to be added to the Inpo current to linearize is less. In fact, based on the simulation results, the two-port linearity correction method actually produces slightly better results, in the case of the three-port linearity correction method, 0.089 ° C. p-p. 0 while. 0 847 ° C pp error.
図13は補正されていない温度センサーと比較した場合の図12の線形化した温度センサーからの温度出力信号の温度エラーを例示したプロットである。図13から理解されるように、弓型形状の線形性エラーは補正係数Kpの適用により補正されており、且つその結果得られるデジタル温度出力値は0.0847℃のピークツーピークエラーを有している。 FIG. 13 is a plot illustrating the temperature error of the temperature output signal from the linearized temperature sensor of FIG. 12 when compared to an uncorrected temperature sensor. As can be seen from FIG. 13, the bow-shaped linearity error has been corrected by applying a correction factor Kp, and the resulting digital temperature output value has a peak-to-peak error of 0.0847 ° C. ing.
図14は基準周波数に対して線形性補正が適用されない場合と比較した場合の線形性補正が適用された場合の図12の周波数比デジタル化温度センサーにおける基準周波数における変化を例示したプロットである。図12の入力発生回路においては、基準周波数は安定化されていない。従って、線形性補正が適用されない場合には(「補正なし」)、基準周波数は安定である。然しながら、補正係数Kpの使用を介して線形性補正が適用される場合には(「補正を使用」)、基準周波数は−25乃至85℃の温度範囲にわたり約1.25%のピークツーピークのレベルへ変化する。 FIG. 14 is a plot illustrating the change in the reference frequency in the frequency ratio digitized temperature sensor of FIG. 12 when linearity correction is applied compared to when no linearity correction is applied to the reference frequency. In the input generation circuit of FIG. 12, the reference frequency is not stabilized. Thus, when no linearity correction is applied (“no correction”), the reference frequency is stable. However, when linearity correction is applied through the use of the correction factor Kp (“Use Correction”), the reference frequency is about 1.25% peak-to-peak over a temperature range of −25 to 85 ° C. Change to level.
図15は、図15(a)、図15(b)、図15(c)、図15(d)を包含するものであるが、本発明の周波数比デジタル化温度センサーにおけるI/F変換器を実現するために使用することが可能な電流・周波数(I/F)変換器の概略図である。従来のものであるか又は開発されるべきものであるかに拘わらず任意のI/F変換器を本発明の周波数比デジタル化温度センサーにおいて使用することが可能なものであるが、データI/F変換器及び基準I/F変換器を実現するために図15のI/F変換器を使用することは特定の利点を提供する。特に、図15のI/F変換器500は、温度、製造プロセス及び電源変動にわたって一定である伝搬、論理及びスイッチング時間遅延の和を確保する。更に、I/F変換器を介しての遅延時間が最小とされると共に、遅延時間における変動も最小とされる。最後に、I/F変換器を介しての遅延の和が、入力電流Ibiasの温度性能が遅延を制御するような態様で実現される。このような遅延は、I/F変換器へ印加される電流Ibiasの温度係数をトリミングすることにより温度にわたり最適な性能に対してトリミングすることが可能である。
FIG. 15 includes FIGS. 15 (a), 15 (b), 15 (c), and 15 (d), but the I / F converter in the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention. 1 is a schematic diagram of a current / frequency (I / F) converter that can be used to realize Any I / F converter, whether conventional or to be developed, can be used in the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention, but the data I / F Using the I / F converter of FIG. 15 to implement an F converter and a reference I / F converter provides certain advantages. In particular, the I /
図15(d)を参照すると、I/F変換器500は入力電流Iin及び入力基準電圧Vrefを受取り且つ周波数出力信号としてclk out信号を供給する。図1の温度センサーに適用された場合に、入力電流Iinは入力電流Idata又は基準電流Irefのいずれかであり且つ入力基準電圧は基準電圧Vdataが基準電圧Vrefのいずれかである。clk out信号はFdata出力信号かFref出力信号かのいずれかである。I/F変換器500は、更に、入力電流としてバイアス電流Ibiasを受取ると共にreset lo信号を受取る。
Referring to FIG. 15 (d), the I /
図15を参照すると、I/F変換器500は2つのコンデンサアレイI21及びI22の充電を制御するためのDフリップフロップI11を有している。DフリップフロップI11はこれらのコンデンサアレイのうちの一方をチャージアップするために入力電流Iinを交互に印加すべく動作する。例えば、DフリップフロップI11は制御信号「dswitch」をアサート即ち活性化させて入力電流を上側コンデンサアレイI21へ印加し且つノード「dintcap」における電圧をチャージアップさせる。上側コンデンサアレイI21は、ノードdintcapにおける電圧が入力基準電圧Vref inのレベルに到達するまで充電され、その場合に上側比較器502はその出力信号をアサート即ち活性化させる。DフリップフロップI11は制御信号dswitch2をアサート即ち活性化させて入力電流を下側コンデンサアレイI22へ印加し且つノードdintcap2における電圧をチャージアップさせる。下側コンデンサアレイI22は、ノードdintcap2における電圧が入力基準電圧Vref inのレベルに到達するまで充電され、その際に下側比較器504はその出力信号をアサート即ち活性化させる。出力信号「bufdout」及び「2bufdout」は論理ゲートへ結合されてDフリップフロップI11をリセットへ駆動し且つDフリップフロップをクロック動作させる。
Referring to FIG. 15, the I /
比較器502及び504は従来の態様で実現することが可能である。1実施例においては、該比較器は一定の遅延に対して調節させることが可能なコンデンサを包含している。更に、該比較器はチョッピング動作を行ない、従って該比較器におけるオフセット電圧エラーは1つ置きの比較サイクルにおいて符号が逆転される。このように、比較器及びI/F変換器全体の平均遅延時間は供給電圧又は温度の変動に対して影響を受けないものとされている。
I/F変換器500へ印加されるバイアス電流Ibiasの温度係数は、該比較器における遅延時間が非常に一定であるようにトリミングすることが可能である。バイアス電流Ibiasがカレントミラーへ結合されて比較器502及び504内の電流源装置に対しミラー電圧駆動を提供する。
The temperature coefficient of the bias current Ibias applied to the I /
入力電流Iinを2つの充電用コンデンサI21及びI22のいずれかへ流れを制御するスイッチ(トランジスタM12,M0)は電圧スイッチではなく電流スイッチとして構成されている。従って、これらのスイッチは入力電流Iinから供給される差動対のように動作する。入力電流Iinは、そのゲート駆動電圧が接地に近い経路へ流れが制御される。選択されたコンデンサアレイにおける流れ制御装置(スイッチM12又はM0)は、接地されたゲートカスコードのように動作し、入力電流源Iinを該比較器において発生されたグリッチから分離し且つ入力電流Iinを供給する電流源に対し一定な電圧(例えば、接地よりも1つのTMOSゲート・ソースVgs高い電圧)を与える。 The switches (transistors M12 and M0) that control the flow of the input current Iin to one of the two charging capacitors I21 and I22 are configured as current switches instead of voltage switches. Therefore, these switches operate like a differential pair supplied from the input current Iin. The flow of the input current Iin is controlled so that its gate drive voltage is close to ground. The flow control device (switch M12 or M0) in the selected capacitor array operates like a grounded gate cascode, isolates the input current source Iin from the glitch generated in the comparator and provides the input current Iin. A constant voltage (for example, one TMOS gate-source Vgs higher than the ground) is applied to the current source.
装置M3及びM1はスイッチングの瞬間に注入される過剰な電荷を一次相殺するために使用され、その場合に注入される電荷は温度及び供給電圧に依存性である。該論理回路のリセットはリセットにおいて既知の状態を与える。 Devices M3 and M1 are used to first-order cancel the excess charge injected at the moment of switching, where the injected charge is dependent on temperature and supply voltage. The reset of the logic circuit gives a known state at reset.
1実施例において、I/F変換器500が極めて低い電源電圧(例えば1.1ボルト以下)で機能することを可能とするために、適切である場合には低スレッシュホールド電圧トランジスタ装置(図15において「Low Vt」として示してある)を使用してあり低供給電圧動作を可能としている。
In one embodiment, a low threshold voltage transistor device (FIG. 15), where appropriate, to allow the I /
RFID温度ロガー
本明細書を理解すると、当業者は、本発明の周波数比デジタル化温度センサーはエレクトロニクス分野において多くの適用例を有していることを理解する。本発明の1つの側面によれば、本発明の周波数比デジタル化温度センサーは無線周波数識別(RFID)トランスポンダー又はタグ内に組み込んでRFIDタグにおいて温度ロギング能力を実現させる。その結果得られるRFIDタグ、これは又RFID温度ロガーとも呼称されるものであるが、周囲の温度値を測定し且つ格納すべく動作し、その場合に測定インターバル即ち測定間隔は予めプログラムしておくか又はオンデマンドでプログラムすることが可能である。温度測定値はRFID温度ロガー内に格納され且つ必要に応じて呼び出すことが可能である。このように、温度測定能力を組み込んだRFIDタグが実現される。
RFID Temperature Logger Upon understanding this specification, those skilled in the art will appreciate that the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention has many applications in the electronics field. According to one aspect of the present invention, the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention is incorporated into a radio frequency identification (RFID) transponder or tag to provide temperature logging capability in the RFID tag. The resulting RFID tag, also called an RFID temperature logger, operates to measure and store ambient temperature values, in which case the measurement interval or measurement interval is pre-programmed. Or can be programmed on demand. Temperature measurements are stored in the RFID temperature logger and can be recalled as needed. In this way, an RFID tag incorporating temperature measurement capability is realized.
1実施例において、RFID温度ロガーはセミパッシブRFIDタグとして実現される。セミパッシブRFIDタグであるので、RFIDタグの回路の一部はRFIDタグ外部のバッテリ即ち電池によりパワーが供給される。セミパッシブRFIDタグは、RF通信ブロックと、制御論理ブロックと、本発明の周波数比デジタル化温度センサーを組み込んだセンサーブロックとを包含している。本実施例においては、制御論理ブロック及びセンサーブロックはバッテリ駆動され、一方RF通信ブロックは入力してくるRF信号からパワーが供給される。本発明の1つの側面によれば、センサーブロックは、周辺温度とバッテリ電圧の両方を測定するためのデュアル機能温度/電圧センサーとして構成されている。 In one embodiment, the RFID temperature logger is implemented as a semi-passive RFID tag. Since it is a semi-passive RFID tag, a part of the circuit of the RFID tag is supplied with power by a battery outside the RFID tag. The semi-passive RFID tag includes an RF communication block, a control logic block, and a sensor block incorporating the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention. In this embodiment, the control logic block and sensor block are battery powered, while the RF communication block is powered by the incoming RF signal. According to one aspect of the invention, the sensor block is configured as a dual function temperature / voltage sensor for measuring both ambient temperature and battery voltage.
別の実施例においては、3ポート線形性補正方法が周波数比デジタル化温度センサーにおいて使用されており、従ってセンサーブロックは安定な基準クロックを供給し、それは以下により詳細に説明するように、制御論理ブロックの実時間クロックをキャリブレーションするために使用することが可能である。 In another embodiment, a three-port linearity correction method is used in the frequency ratio digitizing temperature sensor, so that the sensor block provides a stable reference clock, which, as will be described in more detail below, provides control logic. It can be used to calibrate the real time clock of the block.
図16は本発明の1実施例に基づくRFID温度ロガーの概略図である。図16を参照すると、RFID温度ロガー600は、RF通信ブロック602と、制御論理ブロック604と、温度/電圧センサーブロック606(以後、「センサーブロック」と呼称する)とを包含している。RFID温度ロガー600はセミパッシブであり且つ制御論理ブロック604とセンサーブロック606とに供給するためのパワーを受取るために外部のバッテリ620へ結合されている。バッテリ620は温度ロガー600のBAT端子と接地端子との間に結合されており且つ制御論理ブロックとセンサーブロックとにバッテリ電圧Vbatを供給する。
FIG. 16 is a schematic diagram of an RFID temperature logger according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 16,
RFID温度ロガー600は、又、クリスタルピンXCKI及びXCKOを有しており、それに対してクリスタルオシレータ610を結合させることが可能である。クリスタルオシレータ610は制御論理ブロック604へ基準周波数を供給する。クリスタルオシレータ610はオプションであり且つ、以下により詳細に説明するように、センサーブロック606は安定な基準周波数を供給することが可能であるので、温度ロガー600において省略することが可能である。
The
本実施例においては、RF通信ブロック602はアンテナ(不図示)により検知される入射RF信号を受取るための第一RFポートRF1及び第二RFポートRF2へ結合されている。RF通信ブロック602はバス612を介して制御ブロック604と通信を行い入射RF信号によるコマンドに従って制御論理ブロック604内に格納されているデータを読取るか又は書き込む。RF通信ブロック602は、又、バス622を介してセンサーブロック606と通信を行う。センサーブロック606はバス614を介して制御論理ブロック604と通信を行う。制御論理ブロック604はセンサーブロック606における温度又は電圧測定機能を開始させるための制御信号を供給し、且つセンサーブロック606は測定した温度又は電圧データを制御論理ブロック604内に格納するために供給する。
In this embodiment, the
本発明の1つの側面によれば、センサーブロック606は、又、安定な基準クロックをバス618を介して制御論理ブロックへ供給し、その安定な基準クロックは制御論理ブロックにおける実時間クロックのキャリブレーションのために使用される。このように、RFID温度ロガー600が動作するためには外部のクリスタルオシレータが必要とされるものではない。本発明の別の側面によれば、制御論理ブロック604はバス616を介してpower save信号をセンサーブロック606へ供給して、以下により詳細に説明するように、パワーを節約するためにセンサーブロック606をパワーオフさせる。
In accordance with one aspect of the present invention,
1実施例においては、RF通信ブロック602は第一及び第二RFポートRF1及びRF2を介してRF通信を供給するためのEPCクラス0+準拠RFID通信コアとして実現される。RF通信ブロック602は、制御論理ブロック604への及びそれからの通信及びセンサーブロック606への及びそれからの通信を行うために埋込型ステートマシンを包含している。1実施例においては、センサーブロック606により供給されるセンサーデータ及びセンサーブロック606へ送られるべきコマンド及び命令はRF通信ブロック602により受信され且つ検知されるワイヤレスRFリンクを介して担持される。センサーブロック606に対して意図されているデータ及びコマンドはバス622を介してセンサーブロック606へ及びそれからパスされる。
In one embodiment, the
1実施例においては、ワイヤレスRFリンクは900MHzの周波数におけるものであり且つ16KBps乃至80KBpsのデータレートをサポートする。RFID読取器からRFID温度ロガー600への前方リンク通信は30%乃至100%の間の変調深さにおける振幅変調RFを介して行なわれる。RFID温度ロガー600からRFID読取器への後方リンク通信はパッシブ後方散乱を介して行なわれる。上述したように、RFID通信ブロック602はバッテリパワーを受取るものではなく、その代わりに、アンテナ上の入射RFを介してパワーが供給される。
In one embodiment, the wireless RF link is at a frequency of 900 MHz and supports a data rate of 16 KBps to 80 KBps. Forward link communication from the RFID reader to the
制御論理ブロック604はRF通信ブロック302から受取ったコマンドを格納するため、及び、センサーブロック606により供給された温度又は電圧データを格納するためのレジスタ及びメモリを包含している。制御論理ブロック604はRFIDタグ600の動作を制御すべく動作する。制御論理ブロック604は外部のバッテリ620からバッテリパワーを受取る。この例においては、制御論理ブロック604は外部のクリスタルオシレータ610からの入力クロック信号を受取るための一対の入力端子Clock Inを包含している。この入力クロック信号は制御論理がその実時間クロックと同期することを可能とする。然しながら、Clock In端子及び外部クリスタルオシレータ610はオプションであり且つ本発明のその他の実施例においては省略される場合がある。特に、センサーブロック606がバス618上に安定な基準クロックを供給する場合にはクリスタルオシレータ610は必要ではない。
1実施例において、制御論理ブロック604はセンサーブロック606による温度測定のコマンドを与えるか又は開始させるべく動作する。その温度測定は1秒乃至8時間のユーザが選択したインターバル即ち間隔を有することが可能である。温度ロギングの開始は、パワーアップ時、高又は低の温度トリップ点においてのみ、又はある遅延時間の後とすることが可能である。更に、1実施例においては、制御論理ブロック604はサンプル当り8ビットで最大で4000の温度測定値を格納するためのメモリを包含している。制御論理ブロックは、又、各測定動作期間中に測定した最小及び最大の温度を記録し且つ温度測定値がある予めプログラムされているレベルを超える場合に警告信号を供給すべくプログラムすることが可能である。
In one embodiment,
制御論理ブロック604は、又、バッテリ電圧を測定し且つバッテリパワーを節約するためにセンサーブロック606を制御する。センサーブロック606が温度測定を行なっていない場合に、制御論理ブロック604はバッテリパワーを節約するためにパワーダウンすべくセンサーブロック606に命令を与える。制御論理ブロック604は、又、測定動作を行なうためにセンサーブロック606をウェークアップ即ち起動させる。測定動作が完了すると、制御論理ブロック604はその内部クロック信号をターンオフさせて制御ブロック606及びそれ自身の内部回路をパワーダウンさせる。1実施例においては、測定が行なわれていない場合には、制御論理ブロック604はセンサーブロック及びデータメモリを除いてそれ自身の回路の全てをパワーオフさせる。このように、電力消費は最初のレベルに減少され且つバッテリパワーはより長い寿命に延長させることが可能である。
本実施例においては、センサーブロック606がバッテリ電圧Vbat及び周囲温度を測定する。センサーブロック606によって与えられるバッテリ電圧測定値から、制御論理ブロック604は、バッテリパワーが低いか否かを決定することが可能である。バッテリパワーが低い場合には、制御論理ブロック604はバス616上にpower saveコマンドを供給してセンサーブロック606をパワーダウンさせ、残りのバッテリパワーを節約させることが可能である。1実施例においては、power saveコマンドはバッテリパワーをしてセンサーブロック606から切断させ、従って更なるバッテリパワーが消費されることはない。別の実施例においては、バッテリパワーが臨界的なレベルにある場合には、制御論理ブロック604及びセンサーブロック606は、データメモリを除いてパワーダウンされ、且つ残りのバッテリパワーは測定データを保存するためにデータメモリを維持するために使用される。
In this embodiment, the
例えば、図17に示したように、バッテリ電圧Vbatは温度/電圧センサーブロック606用の電源電圧Vddノード680へスイッチS2を介して接続されている。電源電圧Vddノード680はセンサーブロック内の回路へ供給すべく接続されている電源電圧を表わす。スイッチS2はpower save信号により制御される。power save信号が良好なバッテリパワー条件を表わすべくアサート即ち活性化されていない場合には、スイッチS2は閉じられてバッテリパワーがセンサーブロック606の電源電圧ノード680へ結合されることを可能とする。power save信号がアサート即ち活性化されてより低いバッテリパワー条件を表わす場合には、スイッチS2が開かれてバッテリ電圧をセンサーブロックから切断する。
For example, as shown in FIG. 17, the battery voltage V bat is connected to the power supply
温度/電圧センサーブロック606について詳細に説明する。図17は本発明の1実施例に基づく図16のRFID温度ロガー内に組み込むことが可能な温度/電圧センサーブロックの概略図である。図17を参照すると、センサーブロック606は、周辺温度及びバッテリ電圧Vbatを測定する形態とされている。センサーブロック606は外部のバッテリ620によりパワーが供給される。1実施例においては、センサーブロック606は1.55V銀酸化物コイン電池で稼動すべく設計されており且つバッテリが例え1.1V以下に放電する場合であっても−25乃至85℃にわたり正確な温度及び電圧の測定を与えるべく機能する。
The temperature /
温度/電圧センサーブロック606は図1−15を参照して上に説明した周波数比デジタル化温度センサーアーキテクチャを実現している。然しながら、本発明に基づいて、センサーブロック606は同一のデジタイザー回路を使用して温度と電圧の両方を測定する形態とされている。温度測定機能を実現するために、センサーブロック606は温度センサー625を包含しており、それは、図1を参照して上に説明したように、温度デジタイザー回路に対してPTAT電流(IPTAT)及びCTAT電流(ICTAT)を供給する。CTAT電流ICTATは、入力発生回路630のICTAT IN入力端子へ供給され、一方PTAT電流IPTATは入力発生回路630のITAT IN入力端子へ供給される。
The temperature /
電圧測定機能を実現するために、センサーブロック606は抵抗R1及びR2からなる抵抗分圧器を使用する。この抵抗分圧器はバッテリ電圧端子BAT及び接地電圧へ接続されておりバッテリ電圧VBATを受取る。バッテリ電圧を表わす電流IBATがノード618上に供給される。抵抗R1及びR2の抵抗値は、電流IBATの所望の勾配を確立すべく選択されている。電流IBATはスイッチS1へ供給されて、以下により詳細に説明するように、センサーブロック606における周波数比デジタイザー回路へスイッチ動作により接続される。
In order to realize the voltage measurement function, the
センサーブロック606の周波数比デジタイザー回路は、図1−15を参照して上に説明したのと同一の態様で実現されている。特に、該デジタイザー回路は、入力発生回路630及び周波数比アナログ・デジタル変換器(ADC)を包含している。入力発生回路630は2つの温度依存性電流IPTAT及びICTATを受取る。入力発生回路630は周波数比ADCを駆動するのに必要な入力信号IDATA,VDATA,IREF,VREFを発生する。電流及び電圧信号IDATA、VDATA,IREF,VREFを発生するための入力発生回路630の動作は、図1−15を参照して上に説明したのと同じである。本実施例においては、周波数比ADCは電流・周波数(I/F)変換器640及びカウンタ及び減算回路660を包含している。カウンタ及び減算回路660は制御論理ブロックからオフセット調節及び利得調節信号を受取ることが可能である。周波数比ADCは周波数比デジタイザーの測定出力信号として出力信号ADCOUTを供給する。
The frequency ratio digitizer circuit of
I/F変換器640へ供給される信号IDATAは、測定出力信号ADCOUTへデジタル化されるべきデータ信号を表わす。従って、温度測定値がとられる場合には、信号IDATAは温度依存性PTAT電流IPTATである。バッテリ電圧測定値がとられる場合には、信号IDATAは電圧依存性電流IBATである。本発明のデュアル機能を温度/電圧測定メカニズムに従って、電圧依存性電流IBAT及び温度依存性電流IPTATは、周波数比ADCへ交互に結合されるべくスイッチS1へ結合されている。スイッチS1はバス614を介して制御論理ブロック604により供給される選択信号を受取り且つデジタル変換のためI/F変換器640への信号IDATAとして結合されるべく電流IPTATか又は電流IBATのいずれかを選択する。このように、センサーブロック606のデジタイザー回路は、I/F変換器へのIDATA信号として結合される温度測定値か又は電圧測定値かのいずれかを表わすADCOUT信号を供給する。
The signal IDATA supplied to the I /
バッテリ電圧値が測定されると、制御論理ブロック604は、温度測定動作を継続するのに充分なバッテリパワーが存在するか否かを決定することが可能である。1実施例においては、センサーブロック606は、バッテリ電圧が1.1Vより高い場合にのみ動作される。従って、センサーブロック606により与えるバッテリ電圧測定値が、バッテリ電圧が1.1V未満であることを表わす場合には、制御論理ブロック604はpower save信号を発生させてセンサーブロック606をシャットダウンさせる。
Once the battery voltage value is measured,
図17において、選択信号、オフセット調節及び利得調節信号、及びADCOUT出力信号がバス614を介して制御論理ブロック604とセンサーブロック606との間で通信される。1実施例においては、バッテリパワーを節約するために、デジタイザー回路の殆どは測定変換の間にシャットダウンされる形態とされ、一方センサーブロックと論理制御ブロックとの間のインターフェース回路は、再度測定値が取られる場合にセンサーブロックを再開始させることが必要とされるので、ゼロ休止電力排出近くでパワーアップ状態が維持される。
In FIG. 17, select signals, offset and gain adjustment signals, and ADCOUT output signals are communicated between
本発明のデュアル機能を温度/電圧センサーの1つの特徴は、温度測定と電圧測定とがデジタイザー回路に対する同一のオフセット及び利得調節値を共用するようにセンサーが構成されているということである。特に、選択された温度測定点(例えば、0℃)におけるPTAT電流IPTATは、選択された電圧測定点(例えば、1.5V)におけるバッテリ電流IBATと同じであるように設定される。このように、電圧測定オフセット及び利得調節値は温度測定値を追跡し、且つ両方の測定のために単に1組のオフセット及び利得調節値が必要であるに過ぎない。 One feature of the dual function temperature / voltage sensor of the present invention is that the sensor is configured so that the temperature and voltage measurements share the same offset and gain adjustment values for the digitizer circuit. In particular, the PTAT current IPTAT at the selected temperature measurement point (eg, 0 ° C.) is set to be the same as the battery current IBAT at the selected voltage measurement point (eg, 1.5 V). As such, the voltage measurement offset and gain adjustment values track the temperature measurement and only a single set of offset and gain adjustment values are required for both measurements.
上述したように、本発明の周波数比デジタル化温度センサーが3ポート線形性補正方法を実現する場合には、周波数比デジタル化温度センサーは安定化された基準クロック周波数を供給し、尚且つ温度デジタル化線形性エラーを最小とさせる。安定化された基準クロック周波数はクロックのキャリブレーションのために使用することが可能である。従って、本発明によれば、センサーブロック606は3ポート線形性補正方法を実現すべく構成され且つ基準クロック信号はバス618上に供給される。この基準クロック信号は、次いで、制御論理ブロックのクロック信号をキャリブレーションするのに使用するために制御論理ブロック604へ供給することが可能である。
As described above, when the frequency ratio digitizing temperature sensor of the present invention implements the three-port linearity correction method, the frequency ratio digitizing temperature sensor provides a stabilized reference clock frequency, and the temperature digital Minimize the linearization error. The stabilized reference clock frequency can be used for clock calibration. Thus, according to the present invention,
図18は図17の温度/電圧センサーブロック内に組み込むことが可能なバッテリ電流及びPTAT電流選択回路の回路図である。図17に例示してあるバッテリ電流発生回路及びバッテリ電流及びPTAT電流選択回路は、温度/電圧センサーブロック606の動作原理を例示するために簡単化してある。図18はバッテリ電圧を表わす電流を発生させ且つバッテリ電流又は温度依存性PTAT電流を入力信号IDATAとしてI/F変換器へ選択的に結合させるために使用することが可能なバッテリ電流及びPTAT選択回路700の実際的な実現例を例示している。
18 is a circuit diagram of a battery current and PTAT current selection circuit that can be incorporated into the temperature / voltage sensor block of FIG. The battery current generation circuit and the battery current and PTAT current selection circuit illustrated in FIG. 17 are simplified to illustrate the operating principle of the temperature /
図18を参照すると、回路700において、バッテリ電圧VBATは抵抗R1及びR2によって形成されている抵抗分圧器へ結合される。バッテリ電圧VBATは、又、power save信号により制御されるスイッチS2を介して電源電圧Vddノードへ結合される。従って、回路700において、抵抗R1及びR2の抵抗分圧器(及び関連するトランジスタM54)を除いて、全ての回路が電源Vdd電圧へ接続されており、従って上述した如くpower save信号がアサート即ち活性化される場合に全ての回路をバッテリパワーから切断させることが可能である。
Referring to FIG. 18, in
バッテリ電圧を測定するために、一対の直列接続した抵抗R1及びR2が抵抗分圧器を形成するためにバッテリ電圧VBATと接地電圧VSSとの間に接続されている。VBAT_sel信号により制御されるNMOSトランジスタM54が抵抗R2とVSSとの間に結合されており、バッテリ電圧測定が選択する場合に該抵抗分圧器を接続させ、又はバッテリ電圧測定が選択されない場合には該抵抗分圧器を切断させる。トランジスタM54はVBAT sel信号により制御され、それはバッテリ電圧測定が選択される場合にアサート即ち活性化される。動作について説明すると、トランジスタM54は、抵抗R1及びR2を介してのバッテリ電流のDC電流経路を切断するために使用され、従ってバッテリ電圧測定値が取られない場合にはバッテリパワーが排出されることはない。トランジスタM54は、長さに対して非常に大きな幅の比を有するように構成されており、従ってトランジスタM54を横断して小さな電圧降下が発生されるに過ぎない。即ち、トランジスタM54がターンオンされると、該トランジスタを横断しての抵抗値は、抵抗R1及びR2の抵抗値と比較して無視可能なものである。 In order to measure the battery voltage, a pair of series-connected resistors R1 and R2 are connected between the battery voltage V BAT and the ground voltage VSS to form a resistive voltage divider. An NMOS transistor M54 controlled by the VBAT_sel signal is coupled between resistors R2 and VSS, and the resistor voltage divider is connected when battery voltage measurement is selected, or when battery voltage measurement is not selected. Disconnect the resistor divider. Transistor M54 is VBAT Controlled by the sel signal, it is asserted when battery voltage measurement is selected. In operation, transistor M54 is used to break the DC current path of battery current through resistors R1 and R2, so that battery power is drained when no battery voltage measurement is taken. There is no. Transistor M54 is configured to have a very large width to length ratio, so that only a small voltage drop is generated across transistor M54. That is, when the transistor M54 is turned on, the resistance value across the transistor is negligible compared to the resistance values of the resistors R1 and R2.
抵抗R1及びR2の抵抗分圧器は、電流Innを供給し、それはオペアンプ(opamp)730の第一入力端子へ結合される。オペアンプ730はフィードバックループの形態とされており、オペアンプ730の出力端子はPMOSトランジスタM67を駆動すべく結合されている。PMOSトランジスタM67はソース端子をバッテリ電圧VBATへ結合させており、且つそのドレイン端子において電流Inpをオペアンプ730の第二入力端子へ供給する。オペアンプ730の出力端子は、又、バッテリVBATを表わすドレイン電流IBATを供給するためにPMOSトランジスタM56を駆動すべく結合されている。トランジスタM67はトランジスタM56の10倍であり、従って入力電流Inn及びInpは大きな電流値を有することが可能であり、一方トランジスタM56における出力電流IBATは小さな電流レベルに留まる。特に、トランジスタM67及びM56に対して10:1のトランジスタ比を使用することにより、抵抗R1及びR2に対する抵抗値は、電流Inn及びInpがより大きな値を有することが可能であるので、小さく維持することが可能である。即ち、電流Inn及びInpに対するより小さな電流値を得るために抵抗R1及びR2に対して大きな抵抗値を使用することは必要ではない。抵抗R1及びR2の抵抗値が小さく且つ入力電流Inn及びInpが大きいものであったとしても、トランジスタM56における出力電流IBATは、レシオ型トランジスタM67/M56の使用により小さいままである。1実施例においては、電流Inn及びInpは20μAの範囲内であり且つ電流IBATは2μAの範囲内である。
Resistor voltage dividers of resistors R1 and R2 provide a current Inn, which is coupled to a first input terminal of an operational amplifier (opamp) 730. The
別の実施例においては、オペアンプ730は第一及び第二入力端子の間のオフセット電圧エラーを最小とさせるためにチョッパー構成を使用する。
In another embodiment,
本実施例においては、バッテリ電圧測定の精度は抵抗トリミング型デジタル・アナログ変換器(DAC)720の使用により確保される。より詳細に説明すると、製造プロセス変動は抵抗R1及びR2に対する抵抗値の変動を発生させる場合がある。これらの抵抗値における変動は、抵抗トリミング型DAC720によりトリミングされ、従ってバッテリ電流IBATは製造プロセス変動に影響を受けることはない。この例示においては、抵抗トリミング型DACは各トリミング用抵抗へ結合しているPMOSトランジスタを有している。一連のトリミング用トランジスタ・抵抗対が、抵抗R1及びR2の抵抗値の精密なトリミングを可能とすべく設けられている。1個又はそれ以上のトリミング用抵抗を選択するためにトリミング用プログラムコードW0乃至Wnによりターンオンされる。抵抗トリミング型DACの構造は例示的なものに過ぎず、その他のトリミング回路形態を本発明のその他の実施例において使用することが可能である。更に、抵抗トリミング型DAC720はオプションであり且つ本発明のその他の実施例において省略することが可能である。
In this embodiment, the accuracy of battery voltage measurement is ensured by using a resistor trimming digital-to-analog converter (DAC) 720. More specifically, manufacturing process variations may cause resistance value variations for resistors R1 and R2. Variations in these resistance values are trimmed by the
PMOSトランジスタM56と関連してオペアンプ730により発生されるバッテリ電流IBAT、及び温度依存性PTAT電流IPTATは、入力信号IDATAとして、スイッチ動作されてI/F変換器640へ接続される。本実施例においては、バッテリ電流IBATがスイッチS71を介してIDATA端子へ結合され、一方電流IPTATがスイッチS72を介してIDATA端子へ結合される。スイッチS71はVBAT sel信号により制御され、一方スイッチS72はIP sel信号により制御される。VBAT sel信号及びIP sel信号は相補的であり且つ非重畳型の信号である。VBAT sel信号がアサート即ち活性化されると、IP sel信号がデアサート即ち不活性化され、従ってバッテリ電流IBATはIDATA端子へ結合される。VBAT sel信号がデアサート即ち不活性化されると、IP sel信号がアサート即ち活性化され、従ってPTAT電流IPTATがIDATA端子へ結合される。
The battery current IBAT generated by the
バッテリ電流又はPTAT電流が印加されていない場合には、電流は接地への別の経路へパスされ、従って不使用の電流がセンサーブロックの動作に影響を与えることはない。本実施例においては、PMOSトランジスタM58及びダイオード接続型NMOSトランジスタM63がバッテリ電流IBATに対する別の電流経路を与える。VBAT sel信号がデアサート即ち不活性化されると、トランジスタM58がターンオンされてトランジスタM63を介してバッテリ電流IBATを接地ノードVSSへ排出させる。VBAT sel信号がアサート即ち活性化される場合にトランジスタM58は開回路であり、従ってバッテリ電流の全てはスイッチS71を介してIDATA端子へ指向される。 If no battery current or PTAT current is applied, the current is passed to another path to ground so that unused current does not affect the operation of the sensor block. In this embodiment, the PMOS transistor M58 and the diode-connected NMOS transistor M63 provide another current path for the battery current IBAT. VBAT When the sel signal is deasserted, transistor M58 is turned on, draining battery current IBAT to ground node VSS via transistor M63. VBAT Transistor M58 is open circuit when the sel signal is asserted, so all of the battery current is directed to the IDATA terminal via switch S71.
PTAT電流側において、PMOSトランジスタM64及びダイオード接続型NMOSトランジスタM66はPTAT電流IPTATに対する別の電流経路を与える。IP sel信号がデアサート即ち不活性化されると、トランジスタM64はターンオンされてトランジスタM66を介して電流IPTATを接地ノードVSSへ排出させる。IP sel信号がアサート即ち活性化される場合にトランジスタM66は開回路であり、従ってPTAT電流の全てはスイッチS72を介してIDATA端子へ指向される。 On the PTAT current side, the PMOS transistor M64 and the diode-connected NMOS transistor M66 provide another current path for the PTAT current IPTAT. IP When the sel signal is deasserted, transistor M64 is turned on and drains current IPTAT through transistor M66 to ground node VSS. IP Transistor M66 is open circuit when the sel signal is asserted, so all of the PTAT current is directed through switch S72 to the IDATA terminal.
上述した如き本発明のRFID温度ロガーは、温度測定機能及びバッテリ電圧モニタリング機能を具備するRFIDを実現する。RFID温度ロガーは、更に、外部のクリスタルオシレータが必要とされるものではないので、部品数を減少させて実現させることが可能である。RFID温度ロガーは、測定が行なわれない場合に全てのデジタル回路をパワーダウンさせることによりバッテリの効率化を達成する。本発明のRFID温度ロガーはRFIDシステムにおいてすぐ使うことができ且つ容易に適用させることも可能とする。 The RFID temperature logger of the present invention as described above realizes an RFID having a temperature measurement function and a battery voltage monitoring function. Further, the RFID temperature logger does not require an external crystal oscillator, and can be realized with a reduced number of components. RFID temperature loggers achieve battery efficiency by powering down all digital circuits when no measurements are made. The RFID temperature logger of the present invention can be used immediately in an RFID system and can be easily applied.
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。 Although specific embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention should not be limited to these specific examples, and various modifications can be made without departing from the technical scope of the present invention. Of course, it is possible.
10 デジタル化温度センサー
20 温度検知回路
30 入力発生回路
40,50 電流・周波数(I/F)変換器
60,70 カウンタ
80 減算回路
DESCRIPTION OF
Claims (20)
温度検知回路(20)が絶対温度に比例する電流(「PTAT電流」)及び絶対温度に対して相補的な第二電流(「CTAT電流」)を供給し、
入力発生回路(30)がPTAT電流及びCTAT電流を受取るために該温度検知回路へ結合されており、該入力発生回路はPTAT電流とCTAT電流との加重和から第一電流を発生し、該第一電流は一次温度非依存性であり、該入力発生回路は、更に、第一電流とPTAT電流の一部であってPTAT電流に第一補正係数を乗算することにより得られるPTAT電流の第一部分との和である第一補正電流を発生し、該入力発生回路はPTAT電流を表わす第一出力電流と、第一補正電流を第一抵抗へ印加させることにより発生される第一出力電圧と、第一補正電流を表わす第二出力電流と、第一電流か又は第一電流とPTAT電流の別の一部であってPTAT電流に第二補正係数を乗算することにより得られるPTAT電流の第二部分との和である第二補正電流を第二抵抗へ印加させることにより発生される第二出力電圧とを供給し、
周波数比アナログ・デジタル変換器が、第一出力電流と第一出力電圧とを受取るデータオシレータを包含すると共に第二出力電流と第二出力電圧とを受取る基準オシレータを包含しており、該第一補正電流が該第一抵抗へ印加されて該データオシレータへの該第一出力電圧を発生させ且つ該基準オシレータへの該第二出力電流として使用される結果として該周波数比アナログ・デジタル変換器は線形性補正した温度出力信号を発生する、
ことを特徴とする周波数比デジタル化温度センサー。 In the frequency ratio digitizing temperature sensor (10),
The temperature sensing circuit (20) supplies a current proportional to the absolute temperature ("PTAT current") and a second current complementary to the absolute temperature ("CTAT current");
An input generation circuit (30) is coupled to the temperature sensing circuit for receiving PTAT current and CTAT current, the input generation circuit generating a first current from a weighted sum of the PTAT current and the CTAT current, and the second current generation circuit. The current is independent of the primary temperature, and the input generation circuit further includes a first part of the PTAT current that is a part of the first current and the PTAT current, obtained by multiplying the PTAT current by a first correction factor. And a first output current representing a PTAT current; a first output voltage generated by applying the first correction current to the first resistor; A second output current representative of the first correction current and a second PTAT current obtained by multiplying the PTAT current by a second correction factor that is the first current or another part of the first current and the PTAT current. Part and Supplying a second output voltage which is generated by applying the second correction current is the sum to the second resistor,
Frequency ratio analog-to-digital converter, which includes a second output current and the reference oscillator for receiving a second output voltage with including a first output current and the data oscillator receiving the first output voltage, said first As a result of the correction current being applied to the first resistor to generate the first output voltage to the data oscillator and used as the second output current to the reference oscillator, the frequency ratio analog to digital converter is Generate linearity corrected temperature output signal,
A frequency ratio digitizing temperature sensor characterized by that.
第一電流・周波数変換器(40)が該データオシレータとして、該入力発生回路から第一出力電流と第一出力電圧とを受取り且つPTAT電流を表わす第一周波数出力信号を供給し、
第二電流・周波数変換器(50)が該基準オシレータとして、該入力発生回路からの第二出力電流と第二出力電圧とを受取り且つ基準周波数である第二周波数出力信号を供給し、
第一カウンタ回路(60)が第一周波数出力信号を受取り且つ変換期間にわたっての第一周波数出力信号のクロックサイクルの数を表わす第一デジタルカウント値を発生し、
第二カウンタ回路(70)が第二周波数出力信号を受取り且つ第二周波数出力信号のクロックサイクルの数を表わす第二デジタルカウント値を発生し、該変換期間は第二周波数出力信号のクロックサイクルの所定数により定義されており、
減算回路(80)が第二デジタルカウント値を第一デジタルカウント値から減算し、該減算回路が温度出力信号を供給する、
ことを特徴とする周波数比デジタル化温度センサー。 The frequency ratio analog-to-digital converter according to claim 1,
A first current-frequency converter (40) as the data oscillator receives a first output current and a first output voltage from the input generation circuit and supplies a first frequency output signal representing a PTAT current;
A second current / frequency converter (50) receives, as the reference oscillator, the second output current and the second output voltage from the input generation circuit and supplies a second frequency output signal which is a reference frequency.
A first counter circuit (60) receives the first frequency output signal and generates a first digital count value representing the number of clock cycles of the first frequency output signal over the conversion period;
A second counter circuit (70) receives the second frequency output signal and generates a second digital count value representative of the number of clock cycles of the second frequency output signal, the conversion period being the number of clock cycles of the second frequency output signal. Defined by a certain number,
A subtraction circuit (80) subtracts the second digital count value from the first digital count value, and the subtraction circuit provides a temperature output signal;
A frequency ratio digitizing temperature sensor characterized by that.
第一加算回路(106)が第一電流を発生させるためにPTAT電流の一部であってPTAT電流に第三補正係数を乗算することにより得られるPTAT電流の第三部分とCTAT電流の一部であってCTAT電流に第四補正係数を乗算することにより得られるCTAT電流の第四部分とを加算すべく結合されており、第一電流は温度に関し非線形特性を有しており、
第二加算回路(116)が第一補正電流を発生するために第一電流とPTAT電流の第一部分とを加算する、
ことを特徴とする周波数比デジタル化温度センサー。 The input generation circuit according to claim 1, further comprising:
Third portion and CTAT portion of the current of the PTAT current obtained by the first adder circuit (106) is multiplied by the third correction coefficient in a partially PTAT current PTAT current to generate a first current The CTAT current is coupled to add a fourth portion of the CTAT current obtained by multiplying the fourth correction factor , the first current having a non-linear characteristic with respect to temperature,
Second adding circuit (116) is added to a first portion of the first current and the PTAT current to generate a first correction current,
A frequency ratio digitizing temperature sensor characterized by that.
第一加算回路(106)が、第一電流を発生するために、PTAT電流の一部であってPTAT電流に第三補正係数を乗算することにより得られるPTAT電流の第三部分とCTAT電流の一部であってCTAT電流に第四補正係数を乗算することにより得られるCTAT電流の第四部分とを加算すべく結合されており、第一電流は温度に関し非線形特性を有しており、
第二加算回路(116)が、第一補正電流を発生するために、第一電流とPTAT電流の第一部分とを加算すべく結合されており、
第三加算回路(126)が、第二補正電流を発生するために、第一電流とPTAT電流の第二部分とを加算すべく結合されている、
ことを特徴とする周波数比デジタル化温度センサー。 The input generation circuit according to claim 1 , further comprising:
The first adder circuit (1 06) is, in order to generate the first current, the third portion and the CTAT current PTAT current obtained by multiplying the third correction coefficient PTAT current to a part of a PTAT current Are combined to add a fourth portion of the CTAT current obtained by multiplying the CTAT current by a fourth correction factor , the first current having a non-linear characteristic with respect to temperature,
Second adding circuit (1 16), to generate a first correction current, Ri Contact is coupled so as to sum a first portion of the first current and the PTAT current,
Third adder circuit (1 26), to generate a second correction current, Ru coupled Tei to be added and a second portion of the first current and the PTAT current,
A frequency ratio digitizing temperature sensor characterized by that.
第一バッファ(114)がPTAT電流を受取り且つ第一補正係数をPTAT電流へ適用してPTAT電流の第一部分を発生し、
第二バッファ(122)がPTAT電流を受取り且つ第二補正係数をPTAT電流へ適用してPTAT電流の第二部分を発生させる、
ことを特徴とする周波数比デジタル化温度センサー。 The input generation circuit according to claim 9 , further comprising:
First buffer (1 14) generates a first portion of the PTAT current by applying and first correction coefficient receive PTAT current to the PTAT current,
Second buffer (1 22) to generate a second portion of the PTAT current by applying and second correction coefficient receive PTAT current to the PTAT current,
A frequency ratio digitizing temperature sensor characterized by that.
第三バッファ(212)が第一電流を受取り且つ1−第一補正係数である第一正規化補正係数を第一電流へ適用して第一正規化第一電流を発生し、第三バッファはPTAT電流の第一部分と加算されるべく第一正規化第一電流を第二加算回路へ供給し、
第四バッファ(224)が第一電流を受取り且つ1−第二補正係数である第二正規化補正係数を第一電流へ適用して第二正規化第一電流を発生し、第四バッファはPTAT電流の第二部分と加算されるべく第二正規化第一電流を第三加算回路へ供給する、
ことを特徴とする周波数比デジタル化温度センサー。 The input generation circuit according to claim 1 , further comprising:
A third buffer (212) receives the first current and applies a first normalized correction factor, which is 1-first correction factor, to the first current to generate a first normalized first current, Supplying a first normalized first current to the second summing circuit to be summed with the first portion of the PTAT current;
A fourth buffer (224) receives the first current and applies a second normalized correction factor, which is 1-second correction factor, to the first current to generate a second normalized first current, Supplying a second normalized first current to the third summing circuit to be summed with the second portion of the PTAT current;
A frequency ratio digitizing temperature sensor characterized by that.
絶対温度に比例する電流(「PTAT電流」)及び絶対温度に対して相補的な第二電流(「CTAT電流」)を供給し、
PTAT電流とCTAT電流との加重和から第一電流を発生し、第一電流は一次温度非依存性であり、
第一電流とPTAT電流の一部であってPTAT電流に第一補正係数を乗算することにより得られるPTAT電流の第一部分との和である第一補正電流を発生し、
PTAT電流を表わす第一出力電流を発生し、
第一補正電流を第一抵抗へ印加することにより第一出力電圧を発生し、
第一補正電流を表わす第二出力電流を発生し、
第一電流か又は第一電流とPTAT電流の別の一部であってPTAT電流に第二補正係数を乗算することにより得られるPTAT電流の第二部分との和である第二補正電流を第二抵抗へ印加することにより第二出力電圧を発生し、
第一出力電流と第一出力電圧とを周波数比アナログ・デジタル変換器のデータオシレータへ結合させ且つ第二出力電流と第二出力電圧とを周波数比アナログ・デジタル変換器の基準オシレータへ結合させ、該第一補正電流が該第一抵抗へ印加されて該データオシレータへの該第一出力電圧を発生させ且つ該基準オシレータへの該第二出力電流として使用される結果として線形性補正した温度出力信号を発生する、
ことを特徴とする方法。 In a method for generating a linearity corrected temperature output signal,
Supplying a current proportional to absolute temperature ("PTAT current") and a second current complementary to absolute temperature ("CTAT current");
A first current is generated from a weighted sum of the PTAT current and the CTAT current, and the first current is independent of the primary temperature,
Generating a first correction current which is a sum of a first current and a first part of the PTAT current obtained by multiplying the PTAT current by a first correction factor ,
Generating a first output current representative of the PTAT current;
A first output voltage is generated by applying a first correction current to the first resistor,
Generating a second output current representative of the first correction current;
A second correction current which is the first current or another part of the first current and the PTAT current and is the sum of the second part of the PTAT current obtained by multiplying the PTAT current by the second correction factor . A second output voltage is generated by applying to two resistors,
Coupling the first output current and the first output voltage to the data oscillator of the frequency ratio analog to digital converter and coupling the second output current and the second output voltage to the reference oscillator of the frequency ratio analog to digital converter ; The linearity corrected temperature output as a result of the first correction current being applied to the first resistor to generate the first output voltage to the data oscillator and used as the second output current to the reference oscillator Generate a signal,
A method characterized by that.
第一出力電流と第一出力電圧とを第一電流・周波数変換器へ印加させてPTAT電流を表わす第一周波数出力信号を発生し、
第二出力電流と第二出力電圧とを第二電流・周波数変換器へ印加させて基準周波数である第二周波数出力信号を発生し、
変換期間にわたって第一周波数出力信号のクロックサイクルの数をカウントし且つ第一デジタルカウント値を供給し、
第二周波数出力信号のクロックサイクルの数をカウントし且つ第二デジタルカウント値を供給し、該変換期間は第二周波数出力信号のクロックサイクルの所定数により定義されており、
第二デジタルカウント値を第一デジタルカウント値から減算して温度出力信号を発生する、
ことを特徴とする方法。 In claim 12 , when the first and second output currents and the first and second output voltages are coupled to a frequency ratio analog to digital converter to generate a linearity corrected temperature output signal,
Applying a first output current and a first output voltage to a first current to frequency converter to generate a first frequency output signal representative of the PTAT current;
Applying the second output current and the second output voltage to the second current / frequency converter to generate a second frequency output signal that is a reference frequency,
Count the number of clock cycles of the first frequency output signal over the conversion period and provide a first digital count value;
Counting the number of clock cycles of the second frequency output signal and supplying a second digital count value, the conversion period being defined by a predetermined number of clock cycles of the second frequency output signal;
Subtracting the second digital count value from the first digital count value to generate a temperature output signal;
A method characterized by that.
PTAT電流の一部であってPTAT電流に第三補正係数を乗算することにより得られるPTAT電流の第三部分とCTAT電流の一部であってCTAT電流に第四補正係数を乗算することにより得られるCTAT電流の第四部分とを加算して第一電流を発生し、第一電流は温度に関し非線形特性を有している、
ことを特徴とする方法。 In Claim 12 , when generating the first current from the weighted sum of the PTAT current and the CTAT current, the first current is independent of the primary temperature,
Obtained by multiplying the fourth correction coefficient CTAT current a part of the third portion and the CTAT current part is a by PTAT current PTAT current obtained by multiplying the third correction coefficient of the PTAT current Adding a fourth portion of the CTAT current to generate a first current, the first current having a non-linear characteristic with respect to temperature,
A method characterized by that.
第一電圧を測定し且つ該第一電圧に比例する第三電流を供給する電圧測定回路、
該第一出力電流と該第三電流とを受取り且つ該第一出力電流及び該第三電流の内の一つを選択信号に基づいて選択した電流として選択する選択回路(S1)、
を有しており、該周波数比アナログ・デジタル変換器(640及び660)が、該選択した電流及び該第一出力電圧を受取るデータオシレータと、該第二出力電流及び該第二出力電圧を受取る基準オシレータとを包含しており、該周波数比アナログ・デジタル変換器が該PTAT電流及び該第三電流の内の選択した一つを表す線形補正したデジタル出力信号を発生することを特徴とする周波数比デジタル化温度センサー。 In claim 1, further comprising:
A voltage measuring circuit for measuring a first voltage and supplying a third current proportional to the first voltage;
A selection circuit (S1) that receives the first output current and the third current and selects one of the first output current and the third current as a current selected based on a selection signal;
The frequency ratio analog-to-digital converter (640 and 660) receives the selected current and the first output voltage, and receives the second output current and the second output voltage. A frequency comprising: a reference oscillator, wherein the frequency ratio analog to digital converter generates a linearly corrected digital output signal representative of a selected one of the PTAT current and the third current Ratio digitized temperature sensor.
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