（电力电子与电力传动专业论文）cmos集成温度传感器的研究与设计.pdf

a b s t r a c t t e c h n o l o g yc a l ln o td e v e l o pw i t h o u tm e a s u r e m e a s u r ea i m st oa c q u i r et h ep h y s i c s o rc h e m i s t r yd a t aa b o u tt h eo b j e c t ，t h e nt h ed a t aw i l lb eu s e dt oe s t i m a t eo rc o n t r o lt h e o b je c t ，a n dt h ep a r t so fa n 印p a r a t u sa c c o m p l i s h i n gt h i sf u n c t i o n a li sc a l l e ds e n s o r s e n s o r sh a v ea b r o a da p p l i c a t i o ni nd o m a i n so fi n d u s t r y , a s r i c u l t m e ，s c i e n c er e s e a r c h ， a n da v i a t i o n a n da sf o u n d a t i o no fm a n yt e c h n o l o g i e s ， s e n s o rh a sb e e nr e g a r d e da n d d e v e l o p e dv i g o r o u s l yi nm a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es t u d ya n dd e s i g no fa l li n t e g r a t e dt e m p e r a t u r es e n s o r b a s e do i lt h es t a n d a r dc m o sp r o c e s s t h i st e m p e r a t u r es e n s o rc a nb eu s e df o rt h e a c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h et e m p e r a t u r eo rt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r e ，a n di th a st h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，w i d em e a s u r i n gr a n g ea n dh i g hp r e c i s i o n t h em a j o rd e s i g no f t h i st h e s i si n c l u d e st h er e s e a r c ho ft h et y p e so ft e m p e r a t u r es e n s o ra n dt h ed i f f e r e n t m e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h er e s e a r c ho ft h ef _ , - ac o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ha n d d e s i g no ft h ew h o l es y s t e ms t r u c t u r eo ft h et e m p e r a t u r es e r l s o ra n de v e r yf u n c t i o n m o d u l eo ft h et e m p e r a t u r ec o n v e r t e r , a n dt h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ed i g i t a lf i l t e r i n t h i st h e s i s ，t h et e m p e r a t u r es e n s o rc a l lb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：i n t e g r a t e dt e m p e r a t u r e c o n v e r t e ra n dd i g i t a lf i l t e r t h ei n t e g r a t e d t e m p e r a t u r ec o n v e r t e ri sc o m p o s e db y t e m p e r a t u r ec o m p o n e n t ，a c q u i s i t i o n c i r c u i t so ft h e c o m p l e m e n t a r y t oa b s o l u t e t e m p e r a t u r ea n dt h ep r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ，1 2 va n d0 6 vh i 咖p r e c i s i o n b a n d g a pv o l t a g es o u r c e ，v o l t a g ec o m p a r a t o r , c m o ss w i t c hc i r c u i ta n do u t p u tb u f f e r m o d u l e ，a n de t c t h ed i g i t a lf i l t e rc o n s i s t so fc m o sa s y n c h r o n o u sc o u n t e r , dt r i g g e r a n ddl a t c h , a n dn a l t o wp u l s ec i r c u i t t h i st e m p e r a t u r es e n s o ri sd e s i g n e da n ds i m u l a t e db yv h t u o s oa n ds p e c t r ew h i c h a r ep r o d u c t so fc a d e n c e a l lt h ed e v i c em o d e l sa r eo f f e r e db y0 3 5 p r oc m o s p r o c e s s m o d u l eo ft s m c t h ew o r k i n gv o l t a g eo ft h et e m p e r a t u r ec o n v e r t e ri s3 v , m a x i m u m p o w e rc o n s u m p t i o ni s l e s st h a n0 3 m w , w o r k i n gf r e q u e n c yi s4 0 0 k h zw i t h5 0 n f e x t e r n a lc a p a c i t o r , a n di tc a nm e a s u r et h et e m p e r a t u r er a n g i n gf r o m 一2 0 ct o6 0 。c ，a n d t h em i n i m u ma c c u r a c yi s0 2 c t h er a t eo ft e m p e r a t u r ec h a n g eo fp r o p o r t i o n a lt o a b s o l u t e t e m p e r a t u r e i s0 014 39 i t a c ，a n do ft h e c o m p l e m e n t a r yt o a b s o l u t e t e m p e r a t u r ei s0 0 3 7 7 5 州t h eo u t p u tv o l t a g e so fb a n d g a pv o l t a g es o u r c ea r e1 2 v a n d0 6 v , a n dt h et e m p e r a t u r e a d j u s t e dr a t e sa r eo 0 0 1 3 7 5 m v 。ca n d0 0 0 4 3 7 5 m v a b o u tt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ro ft h eb a n d g a pv o l t a g es o u r c e i t so p e n - l o o pg a i ni sa l s h i g ha s9 5 d b ，p h a s em a r g i ni s6 0 0 ，u n i t yg a i nb a n d w i d t h i s8 6 m h z ，p s r ri s7 9 d b ，a n d t h eo f f s e tv o l t a g ei s2 7 8 0 5 r “t h eg a i no ft h ev o l t a g ec o m p a r a t o ri s7 6 5 d b ，a n di t b e g i n st of a l ld o w na tt h ef r e q u e n c yo f8 5 0 k h z a f t e rs i m u l a t i o na l lp a r a m e t e r sh a v e m e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ： c m o sp r o c e s s t e m p e r a t u r es e n s o r i n t e g r a t i o n 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 盗聋 日期丝2 ：! 兰：1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 歪丛聋 导师签名： 日期趔：! i ：1 2 日期逆2 ：堡生：翌夕 第一章绪论 第一章绪论 科学技术离不开测量，测量的目的就是要获得有关被测对象的物理或化学性 质的信息，以便根据这些信息对被测对象进行评价或控制，完成这一功能的器件 我们称之为传感器。传感器是信息技术的前沿尖端产品，被广泛用于工农业生产、 科学研究和生产等领域。 随着人类生产方式的不断进步，人们越来越重视对于信息的感测和采集，传 感器处于被研究对象和测试系统的接口位置，其性能直接影响整个系统的工作质 量。传感器技术因而成为许多应用技术的基础环节，成为当今世界发达国家普遍 重视并大力发展的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术共同构成了现代信 息产业的三大支柱。美国在空军2 0 0 0 年报告中列出了1 5 项有助于提高2 1 世 纪空军能力的关键技术，其中传感器被列为第二项；日本科技厅制定的十大科技 发展项目中，传感器被排在首位：我国的“八六三”计划、科技攻关计划等也将传感 器的研究放在重要位置。 传统的传感器技术已经达到其技术极限，它的性价比不可能再有大的提升， 主要在以下几个方面存在严重不剐l 】：结构尺寸大，时间( 频率) 响应特性差；输入 一输出特性存在非线性，而且随时间漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移； 信噪比低，易受噪声干扰；存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高等。以上不足 是传统传感器性能不稳定、可靠性差、精度低的主要原因；它的“手工艺品”式的制 作过程、材料的多品种和高性能的要求，是成本价格高的原因。 随着自动化领域的不断扩展，需要测量的参量日益增加，而且一些特殊领域 需要传感器小型化和轻量化。特别是由于自动控制系统的飞速发展，对传感器进 一步提出了数字化、智能化、集成化和标准化的紧迫需求。现在数字化、智能化、 集成化和标准化已成为当今传感器技术发展的主流。 目前标准c m o s 技术与传感器技术相结合己经获得巨大成功，这是由于 c m o s 技术通过微型化和信号电路集成化，使传感器系统能够在缩小体积，增加 功能的同时实现输出的标准化；再者，由c m o s 技术批量生产制造的传感器成本 不断降低，更具竞争力；第三，c m o s 传感器系统能与i c 技术紧密结合，从而使 真正意义上的智能化传感器系统成为可能。总之通用的标准c m o s 工艺技术所固 有的微型化、集成化和标准化特点与传感器系统的发展方向是不谋而合的，其批 量生产的低成本和低功耗特点又使其具有广阔的市场前景。 2 c m o s 集成温度传感器的研究与设计 1 1 传感器的分类 传感器分类方法很多，常用的有两种【2 l ：一种是按被测的参数分，另一种是按 变换原理来分。 按被测的参数来分类可分为：( 1 ) 热工参数，包括温度、比热、压力、流量、 液位等；( 2 ) 机械量参数，包括位移、力、加速度、重量等；( 3 ) 物性参数，包括 比重、浓度等；( 4 ) 状态量参数，包括颜色、裂纹、磨损等。温度传感器属于热工 参数。 温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温 度传感器，一类是非接触式温度传感器。 接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及 对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较 高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容量比较 小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触，目前最常用的是辐射热交换原 理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标，以及热容量小或变化 迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。 1 2 温度传感器性能及应用领域 1 2 1 温度传感器的性能参数 温度传感器的主要性能参数有【3 】：测量精度、敏感度、线性度、测量范围、稳 定性、绝对校正、噪声抑制能力、功耗、成本等。 温度传感器最主要的性能参数是温度变化范围内的精确度。如果传感器特性 随工艺变化较大，则精确度由长期稳定性和精确的校正等参数决定。而良好的敏 感度、线性度、信号模式以及对噪声的抑制能力将会大大简化传感器接口和数字 接口的设计。低功耗对于便携式、低压设备是极其重要的，而且其自热效应也能 被忽略。低成本的需求，不仅要减小传感器接口面积和使用标准技术，而且还要 减少大量的数字接口电路和数字信号处理电路。由于c m o s 工艺技术不断完善， 我们能够利用高性能的c m o s 工艺对温度传感器进行集成化设计，并将模拟信号 与数字信号处理电路做在同一块芯片上( 智能传感器) 。 温度传感器的性能还由其应用领域的许多因素决定，如外部环境( 物理和电学 的) 、电源供电方式等。 第一章绪论 1 2 2 温度传感器的应用领域 温度传感器主要应用于以下几个领域： 感测应用【4 】：温度传感器的热转换方式经常被用来测量物理量( 如流量、辐射、 气体压力、气体种类、湿度、热化学反应等) ，所有的这些传感器的测量值都以热 形式为媒介并以电信号的方式输出。 生物医学应用：生物医学的应用必须使用特殊的温度传感器，其中最重要的 特性是要求低功耗、长期稳定性好、可靠性高以及在3 2 至4 4 之间精确度小于 0 1 。 太空应用：热敏电阻以及硅p n 结已经使用于太空温度测量。利用分立的模拟 和数字接口电路从感测元件读取温度信息对于低成本、低重量的使用情况越来越 不适用，尤其在微米纳米卫星中更难满足需要。具有数字输出功能的智能温度传 感器可应用于未来的卫星设计中，并能传送与微处理器兼容的数字信息。 工业应用：集成温度传感器在自动化应用和微生物体热检测应用中已有报道， 尽管它们的特性和需求根据每个特殊的应用而变化非常大。对于低成本、长期稳 定性和可靠性、强大的数字接口以及通讯系统等这些特殊的应用需求，目前的智 能温度传感器都可满足。 消费产品应用：低成本集成温度传感器与变送器己经出现，而且被应用于消 费产品中，如洗衣机、冰箱、空调等。低成本、无需外部部件、制造时简单的片 上校正等是消费产品应用的特殊需求，并且在一2 0 至1 0 0 之间测量精度达到 0 5 。 1 3 国内外温度传感器的发展及未来 温度传感器的发展大致经历了以下3 个阶段： ( 1 ) 传统的分立式温度传感器( 含敏感元件) ，主要是能够进行非电量和电量之 间的转换； ( 2 ) 模拟集成温度传感器控制器； ( 3 ) 智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟向数字、由集成 化向智能化、网络化的方向发展。 1 3 1 温度传感器发展历程 ( 1 ) 传统的分立式温度传感器一热电偶传感器【5 】 热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直 4 c m o s 集成温度传感器的研究与设计 接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度，而且测量范围广，可从5 0 0 至1 6 0 0 进行连续测量，特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到一2 6 9 ，钨一 铼最高可达2 8 0 0 。 ( 2 ) 模拟集成温度传感器 集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单 片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在2 0 世纪8 0 年代问世的，它是将温 度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用i c 。模 拟集成温度传感器的主要特点是功能单一( 仅测量温度) 、测温误差小、价格低、响 应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控测，不需要进 行非线性校正，外围电路简单。 ( 3 ) 智能温度传感器 数字温度传感器是在2 0 世纪9 0 年代中期问世的，它是微电子技术、计算机 技术和自动测试技术( a t e ) 的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系 列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、a d 转换器、信号处理器、存 储器( 或寄存器) 和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器( c p u ) 、随机 存取存储器( r a m ) 和只读存储器c r o m ) 。智能温度传感器的特点是能输出温度数据 及相关的温度控制量，适配各种微控制器( m c t r ) ；并且它是在硬件的基础上通过 软件来实现测试功能的，其智能化也取决于软件的开发水平。 2 1 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性 及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅 速发展，主要发展目标包括：提高测温精度和分辨力、增加测试功能、总线技术 的标准化与规范化、可靠性及安全性设计、虚拟温度传感器和网络温度传感器。 1 3 2 温度传感器的未来 随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对温度传感 器的要求也越来越高，归纳起来有以下几个方面1 6 】： 扩展测温范围：目前工业常用的测温范围为一2 0 0 至3 0 0 0 ，随着工业的发 展，对超高温、超低温的测量要求越来越迫切，如在宇宙火箭技术中常常需要测 量几千度的高温。 提高测量精度：随着电子技术的发展，信号处理仪表的精度有了很大的提高， 特别是微型计算机的使用使得对信号的处理精度更加提高。 扩大测温对象：随着工业和人们日常生活要求的提高，现在已由点测量发展 到线、面测量。在环境保护、家用电器上都需要各种各样的测温仪表。 发展新产品，满足特殊需要：在温度测量中，除了进一步扩展与完善热电偶、 第一章绪论 热电阻，以及晶体管测温元件、快速高灵敏度的普通热电偶外，还根据被测对象 的环境，提出了许多特殊的要求。如防硫、防爆、耐磨的热电偶，钢水连续测温， 火焰温度测量等。 显示数字化：温度仪表不但具有读数直观、无误差、分辨率高、测量精度高 的特点，而且给温度仪表的智能化带来很大方便。 检定自动化：由于温度校验装置将直接影响温度仪表质量的提高，值得在这 方面花大力气进行研究。我国己研制出用微型机控制的热电偶校验装置。 1 4 本论文的主要工作 本论文的主要工作是研究并设计了一种基于标准c m o s 工艺的集成温度传感 器，其中包括感温元件设计、温度转换器电路设计及仿真、数字滤波器电路设计 三个部分。主要思想是利用两个匹配的c m o s 寄生p n p 双极型晶体管的e b 结电 压降作为感温元件，传感器的温度转换电路将感温元件的电压信号转化为一个占 空比与温度成正比关系的方波信号，通过数字抽取滤波电路进一步实现该信号的 数字化输出，以供微处理器对数据的处理。 本论文的各章节安排如下所示： 第一章，简单介绍传感器的分类、温度传感器的特性参数和应用领域，以及 国内外温度传感器的发展历程、现状及未来发展趋势。 第二章，建立本文设计的集成温度传感器的系统结构，并对组成该结构的温 度转换器部分和数字滤波器部分作了详细的分析研究。 第三章，详细研究分析本论文中感温元件的设计，以及温度转换器部分的整 体电路及各个模块电路的电路结构设计和仿真验证。 第四章，总结。 第二章集成温度传感器系统设计 第二章集成温度传感器系统设计 本章详细地研究分析本文设计的集成温度传感器的系统结构及工作原理，首 先介绍采用过采样技术的调制原理和调制器结构，该系统的温度转换器部分 采用此技术设计，其次详细地研究分析系统的温度转换电路部分及数字滤波器部 分的电路结构和工作原理，最后分析影响电路性能的因素及改善方法。 2 1 集成温度传感器系统结构 本文设计的集成温度传感器来源于科研项目“综合信息平台的研究开发，首 先简要的分析此信息平台的结构及原理，再分析集成温度传感器的系统结构及工 作原理。 2 1 1 综合信息平台结构 此综合信息平台实时采集外部音频视频信息、g p s 坐标信息、压力数据、温 度数据以及加速度值等数据，通过a d 转换器将模拟量转换成数字量，微处理器 对采集到的各项数据进行相应的操作，将各个物理量的数字信号通过外部通信接 口电路与其他基站之间进行数据传输，以此在多个基站之间进行数据传输和实时 监控。此综合信息平台的模块框图如下图所示： 图2 1 综合信息平台结构框图 2 1 2 集成温度传感器结构设计 本论文设计的集成温度传感器是此系统中的温度模块的研究设计，采用微电 子理论与技术设计的一种集成温度传感器，能够实时采集外部温度并将此温度转 c m o s 集成温度传感器的研究与设计 化为可供处理器计算的数据。本文设计的集成温度传感器结构由两部分构成：温 度转换器部分和数字滤波器部分。温度转换器部分工作原理是通过感温元件采集 温度信号，并将该温度信号转换为占空比与温度成线性正比关系的矩形方波输出； 数字滤波器部分将温度转换器的输出方波变换成可供微处理器识别的数字信号 流。 集成温度传感器系统结构如下图所示： 数字j g 潲 图2 2 集成温度传感器系统结构图 由于此温度传感器的温度转换器部分采用的是调制技术，所以下一小节 简要的分析调制方法和调制器结构。 2 2z - 转换器 在人们所接触的外部世界中，许多物理量，例如图像、声音、压力、温度、 湿度、重量、尺度等都是模拟信号，为了能使数字设备对它们进行处理和传输， 首先需要将它们转换成电信号，再由模数转换器( d ) 转换成数字信号，才能被数 字电路处理。 之前1 6 位以上的高分辨率模数转换器( a d ) 被大量使用，为了获得更高的性能 指标，目前己开始采用1 8 甚至2 0 位的a d c 。当分辨率很高( 1 6 位以上) 时，传统 的n y q u i s t 率a ，d ( 如积分型、逐次比较型、闪烁型a d 等) 将面临一系列严重的问 题：如需要复杂的高阶模拟抗混叠滤波器，定时及幅度误差都极小的采样一保持电 路等，而且实现起来困难极大，成本很高。而近年来兴起的a d 转换器却能以 较低的成本来取得极高的分辨率( 1 6 位以上) 。如美国a d 公司近年来的产品 a d l 8 4 8 ( 1 6 位) 、a d l 8 7 9 ( 1 8 位) 、a d 7 7 1 6 ( 2 2 位) 等。z z k a d 之所以能实现高分辨 第二章集成温度传感器系统设计 率，关键在于使用了过采样、噪声整形、数字抽取滤波等几项技术。 在模拟电路与d s p 技术方面引导世界潮流的t i 公司认为，当尺寸越来越小时， 模拟与数模混合集成电路将成为主要的挑战，所以作为中速高分辨率的a a d 得 到广泛使用。它的分辨率可以达到2 4 位，速度一般在l m s s 或以下。 z k a d 的一个突出优点是依靠调制器对量化噪声的整形，可以把几乎全 部的量化噪声驱赶到基带以外。从制造工艺来说，对调制器中的模拟电路不要求 严格匹配，所以很容易与数字系统集成在一起。也就是说，z k a d 调制器可以在 产生很高分辨率的信号的情况下对硬件有相对较低的要求，一个重要的原因就是 这种方法只需要l b i t 的调制器和简单的模拟信号处理电路就可以转换模拟信号， 而它的模拟电路的精度限制又非常得低。 2 2 1 奈奎斯特采样 传统上信号由模拟转换为数字可以分为两个相分离的步骤【7 】：时间上的统一采 样以及幅度上的量化。在采样的过程中，一个连续时间信号以相同的时间间隔下 采样。频域中的采样信号为 x s ( j o = 1 x ( f - k f s ) ( 2 - 1 ) 一一 = 曲 在频域中的采样可以表示为信号的频谱以采样频率做周期的重复。 在采样的过程中必须严格遵守采样定理，这样得到的信号频谱才不会发生混 叠，信号才能完全的重建，同时需要在采样之前加一个抗混叠滤波器来保证信号 成为真正的带限信号，加抗混叠滤波器主要是为了防止一些余量信号能量在采样 频率以外发生混叠。对于奈奎斯特采样，在采样频率处，抗混叠滤波器的过渡带 必须有一个非常快速的衰减。 作为采样的结果在时域的离散和量化都是可以逆转的，既然没有信号信息丢 失，那么原始的连续时间信号就可以被完美的重建。但是信号一旦被采样，幅度 也必然被量化成一系列有限的输出值，量化是一个不可逆转的过程，它是将一系 列幅值无限的输入值量化成一系列幅值有限的输出值，量化后输出的幅度通常用 一组有限的数字码来代替。例如：对于l b i t 的a d 转换器。如果用输入的幅值为 v 和一v ，输出值则被量化成数字编码1 或者0 t 8 1 。n 表示a d 的分辨率，q 为a m 的量化级数，我们有： n = l o g2 ( q )( 2 - 2 ) 而我们可以定义： 肚旆( 2 - 3 ) l oc m o s 集成温度传感器的研究与设计 这样输入值就能被分成的整数倍。对于两个相邻的二进制码的输出值的区 别就是最低有效位( l s b ) ，即输入幅度的差别对应在数字输出码的最低有效位。假 设量化输出值的最大最小值始终为v 和一v ，有着量化级为q 的a d 的最低有效 位( l s b ) 等于耥。 输入和输出量化误差( e _ y x ) 的大小不超过l s b 的一半，即当一a 2 e a 2 和一v a 1 2 工y + 2 时，a d 将发生过载现象。这样发生过载的量化器植入任 何a d 中都是一个非线性的系统，使分析变得困难。为了使分析变得易于处理， 量化器通常可以等效为一个线性的信号x 和一个噪声源e ，而通过量化器的输出信 号为y ，即 y n = x ，z + d 咒】( 2 4 ) 根据( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，可以得到： _ ( q - 1 2 v ) = 南( 2 - 5 ) 所以噪声能量为： 彩= 箐= ( 麴2 1 2 - _ _ ( 争2 1 2 ( 2 - 6 ) 如果信号为一个零平均随机过程，则系统的信噪比为： 册= 1 0 1 0 9 9 ) = 1 0 1 0 9 ( 为“7 7 + 6 0 2 ( d b ) ( 2 - 7 ) v盯c 由( 2 4 ) 我们可以推出a d 所需要的分辨率增加( 对应于n 的每一个增量) ，信 噪比都要增加6 d b ，因而a i d 的分辨率和信噪比之间有着直接的关系。例如：一 个a d 的信噪比比另一个多m b ，则性能好的a d 的分辨率将比另一个大1 2 b i t 。 奈奎斯特频率转换器的每一个采样信号都是在全精确或分辨率下进行量化的，它 并不适合现在的工艺技术( 因为模拟成分太多) 。例如，如果一个转换器的分辨率是 n b i t s ，采用连续逼近a d 技术，那它将需要2 个匹配的比较器，这对于电路的实 现是非常困难的。 高分辨率的奈奎斯特转换器要实现集成电路而不使用校正技术是非常困难 的，而且，如果采样频率接近奈奎斯特频率，抗混叠滤波器的过渡带必须有很快 的衰减，这样就增加了模拟滤波器的造价。 2 2 2 过采样技术及噪声整形技术 与传统的n y q u i s t 速率的a d 转换器相比，a a d 转换器有两个重要的技术 特点：过采样技术( o v e rs a 玎1 p h n g ) 和噪声整形技术( n o i s es h a p i n g ) t 舛。 第二章集成温度传感器系统设计 过采样是指以远远高于奈奎斯特采样频率的频率对模拟信号进行采样。由信 号采样量化理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器阶梯，井且输入信号的 幅度随机分布，则量化噪声的总功率是一个常数，与采样频率无关，在0 至f s 2 的频带范围内均匀分布，因此量化噪声电平与采样频率成反比。提高采样频率， 可以降低量化噪声电平，而基带是固定不变的，从而减少了基带范围内的噪声功 率，提高了信噪比。理论上讲，采样频率越高，基带内的量化噪声功率越低。 根据过采样原理在频域上的特点，一个n 位分辨率的理想m d 转换器量化噪 声功率为q 2 1 2 ( q = l s b ) ，此数值是在时域上求得。因此若对一理想a d 转换器 以最大可承受振幅的正弦波作为输入信号，则信噪比为： s n r = ( 6 0 2 n + 1 7 6 ) d b ( 2 - 8 ) 但实际使用上并无理想的a d c 存在，因此在实际情况下是以等效位元数 e n o b 来描述a d c 的精度，其定义如下： e n o b = ( s n r - 1 7 6 ) 6 0 2( 2 9 ) 此处的s n - r 为实测值。 若在频域上观察此噪声特性，则根据采样定理，其功率频谱密度( p s d ：p o w e r s p e c t r u md e n s i t y ) 为定义在区间( 一声2 ，声2 ) 上大小为( g 声) 1 2 的均匀函数，其 中为取样频率。依此结论，如果我们以较高的采样频率对相同频带的信号进行 采样，则对信号而言，其频谱特性并未改变，对量化噪声信号而言，其功率不变( 因 为n 并没有改变) ，但因变大，所以p s d 的高度下降。如果我们用数字低通滤波 器对采样后的信号进行处理，则被处理的信号部分并未受影响，但却有部分的量 化噪声被滤除，因此对整体而言s n r 提升造成e n o b 跟随提升。结果我们以一n 位a f d 转换器配合过采样技术以及数字滤波处理技术得到分辨率大于n 的a d 转 换器。由以上说明可知，每增加一位分辨率，s n r 将增加6 0 2 d b 。另外在过采样 的情况下，采样频率提高4 倍，则经过数字低通滤波后，量化噪声能量降为1 4 ， 因此s n - r 提高4 倍( 相当于6 0 2 d b ) ，若以过采样技术提高a d c 的分辨率，采样频 率每提高4 倍就等效于增加1 位分辨率。 噪声整形技术就是调整量化噪声的频谱密度分布，使其在总噪声能量不变的 情况下，尽可能减少位于有用信号带内的部分噪声。直观而言，噪声整形主要目 的就是改变量化噪声的能量分布，使其尽量集中在高频段，因此采样信号经过数 字滤波后可将绝大部分量化噪声信号滤除以提高信噪比，但最重要的是过采样频 率的倍数可以大幅度降低。 1 2c m o s 集成温度传感器的研究与设计 2 2 3 一阶一调制 调制技术是由( 增量) 调制发展而来的。调制不是直接根据采样数据的 绝对样值大小进行量化编码，而是利用信号样值之间的相关性，就是在过采样率 下，相邻采样点间信号相对变化不大，前一采样点的幅值加上或减去前采样点的 差值就代表了后一采样点信号值，这样根据前后采样值之差就是所谓增量的大小 来进行量化编码。积分器输出的值对模拟信号的大小进行预估，结果用它们的差 值经过1 位量化器( 比较器) 对该差值作简单的极性判别，输出相应二进制代码( o 或 1 1 ，显然这些代码反映了相邻抽样值之间的大小关系，所以在接收端用这些代码生 成相应正负脉冲进行积分就可以获得原信号波形，而低通滤波器对信号起平滑作 用。 图2 3 一阶蹦调制图 一阶娶调制器后面连接数字降频器，而调制器是由一个积分器，一个内部 的a d 转换器和一个量化器和一个d a 转换器组成。被量化的信号并不是输入信 号，而是一个量化输出经过d a 转换的模拟量与输入信号的差值，在反馈环上有 一个滤波器，叫反馈环滤波器，它是一个离散时间的积分器，它的传递函数是 z 1 ( 1 z 1 ) 。积分器模拟电路都是采用典型的过采样数据的开关电容技术，因此我 们在这里不明确的讲有关采样工作。调制器的连续时间变换在这里也不详述，量 化器被一个线性的模型和一个噪声源所代替。如果d a 是理想的，它将被一个单 位的增益传递函数所代替。所以调制器的输出为： ) ，( z ) = z - 1 x ( z ) + ( 1 - z 。1 ) q ( z )( 2 - 1 0 ) 在这里s t f 和n t f 是不相等的，信号经过一个延时加上被一阶z 域微分或通 过高通滤波器所整形的量化噪声，如图2 4 所示： 第二置集成濡度传感嚣系统设计 图2 4 量化噪声额谱( a 1 在一阶z - z x a t d 整形之前的噪声颠谱 巾) 在一阶e - t , a d 整形之后的噪声频谱 在研究转换器的性能之前我们应该研究一下d a ”l 。d a 的线性度是非常重 要的，任何d a 的非线性都可以模拟成一个直接加到输入上面的错误源。既然i b i t 的d a 是接近线性的，用一个l b i t 的d a 和一个相应的1 b i t 的量化器( 一个简化了 的比较器1 就可以满足要求，因此，如果提供的采样频率足够高，一, s a d 可以使 l b i t 的量化器达到更高的整体的分辨率。使用皿= z - i 总= f 1 一z “) ，一阶o 调 制器的波带内的输出噪声是： 一2 2 = d e 2 冬( 2 归，扣) 3 ( 2 - 1 1 ) 信噪比是： 册- l 0 l 。g ( e - 2 ) - 1 0 l o g ( m 勺- 1 0 l o g ( 争+ 3 0 l o g ( 嘉脚) ( 2 1 2 ) 用过采样率为鑫2 2 来替代，信噪比也可写为： s n r ：l o l o g ( o - x 2 ) 一1 0 l o g ( o - 。2 ) 一1 0 1 0 9 ( ；) + 90 3 r ( 拈) ( 2 - 1 3 ) j 对于过采样率的加倍，只要r 增加，信噪比就增加9 d b ，也就相当于分辨率增 加1 5 b i t s 。让我们在回顾一下脉冲编码调制，分辨率为1 6 b i t s ，2 0 k h z 的音频信号， 对i b i t 的内部的a d 我们需要的采样频率为9 87 8 m h z ，在当前的c m o s 技术a d 和比较器是可以工作在这样的速度的，但是被采样的数据模拟开关电容积分器是 不可能工作在这样高的速度下的。而二阶z - & d d 调制可以使用i b i t 的量化器，在 更加合理的采样频率下达到1 6 b i t s ，带宽2 0 k i - i z 的目标。 一彬一 jm jtj塑一 羽- f一蹇 1 4c m o s 集成温度传感器的研究与设计 2 2 4 二阶调制 由最基本的一结构，我们可以创造出很多别的结构，它们就分辨率、带宽、 电路的复杂度和调制器的稳定性可作折中的考虑。一般来说，为了得到性能的提 高，大部分的转换器需要的模拟电路需要更加复杂，更高精度的电路( 相对一阶来 说1 。当然，这里说的精度要小于整个转换器的分辨率。 因为二阶z k a d 的s t f 为 皿= z 川 ( 2 1 4 ) n t f 为 见( z ) = ( 1 一z _ ) 2( 2 1 5 ) 所以： r ( z ) = x ( z ) z 1 + e ( z ) ( 1 一z 。1 ) 2 ( 2 1 6 ) 与一阶n t f 相比，二阶n t f 对于低频信号带提供了更高的压制量化噪声的手 段，而对于信号波段外的噪声更大的加以放大，所以更多的噪声能量被推到了信 号波段外。 图2 5 二阶z - & a d 的框图 它的结构包括两个积分器h 1 ( z ) 和h 2 ( z ) ，第一个的传递函数是 河1 ( 2 - 1 7 )1 一z 1 第二个的传递函数是 若 ( 2 - 1 8 ) 1 一z 叫 、 假设调制器的输出通过一个理想的低通滤波器，线性的白噪声模型将产生以 下的信噪比： 第二章集成温度传感器系统设计 s n r = 1 0 1 0 9 ( 砰) - 1 0 l o g ( 砰) - l o l o g ( - 孚) + 5 0 l o g ( 蔫) ( 拈) ( 2 1 9 ) 如果我们使 黑：2 ， 2 - 2 0 ) 一= 27 留 我们可以得到： s n r ：1 0 1 。g ( 仃，2 ) 一1 0 l 。g ( 仃。2 ) 一1 0 l 。g ( 霉) + 1 5 0 5 ，( r i b ) ( 2 - 2 1 ) 对于r 增加或过采样率的加倍，信噪比将增加1 5 d b ，或分辨率增加2 5 b i t s ( 它比一 阶增加了l b i t ) 。 2 3 温度转换器原理设计 本节研究分析集成温度传感器中以调制技术为基础设计的温度转换器部 分的设计，详细分析其电路结构和工作原理，并且通过计算量化证明此设计。 2 3 1 温度转换器原理 图2 6 为本文设计的集成温度转换器部分电路结构图。 图2 6 吕调制温度转换器原理图 其基本工作原理如下所示：通过一个负温度系数电流k 和正温度系数电流 i p 诅t 分别对外接大电容c 进行充放电，形成一个锯齿波，将这个锯齿波和1 2 v 及 0 6 v 的两个基准电压通过比较器进行比较。比较器的输出信号及其反信号作为控 1 6c m o s 集成温度传感器的研究与设计 制充放电电流开关以及两个基准电压开关开通和关断的控制信号。在锯齿波的上 升沿和1 2 v 电压进行比较，得到一个高电平，锯齿波的下降沿和o 6 v 电压进行 比较，得到一个低电平，这样在比较器的输出端得到一个方波。此方波的占空比 其分母的大小为i p 协0 - i c r 丑t ，分子的大小为i p 僦，所以如果补偿良好的话，分母的大 小为一不随温度变化的常数i 所以这个方波的占空比和温度成线性正比关系，这 样就初步获得了我们需要的将温度信号转变为电信号。这个占空比和温度成线性 正比关系的方波可以看作是一个简单的一位数字信号，但此信号还不能直接送到 微处理器中进行数据处理，将这个信号通过计数器、锁存器等简单的数字电路处 理后可以获得一个精确的与温度有关的数字信号流，这部分将在后面的小节中给 予详细的分析。 2 3 2 计算分析 根据本文设计的电路结构可以知道，输出信号为矩形波。设比较器比较门限 高低电平之差为v d 则 v o = i 啊- l - 2 i ( 2 - 2 2 ) 采样电容c 充电时间为 t 悼盟( 2 2 3 ) l 咖t 采样电容c 放电时间为 t 2 = c v z , ( 2 2 4 ) 1 呻m 从式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 可以看出，充放电时间只与比较门限电平之差、电容容量 和充放电电流有关。在影响时间常数的四个量中，由于比较基准电压是经过温度 补偿的，其随温度变化而引起的误差可以忽略不计。因此v d 对于温度以及电源电 压变化可以看作是常数。 对于平板电容，其计算公式为 c = c o a r e a 1 + v c l d v + v c 2 d v 2 1 + t c l ( f 一铆d m ) + f c 2 ( f t ，z d m ) 2 】 ( 2 2 5 ) 其中，c o 为单位电容；a r e a 为有效面积；v e l 、v e 2 为电压系数；t e l 、t c 2 为温 度系数；d