CMOS温度传感器ΣΔADC与电路实现
温度传感器需要将 和 精确数字化为温度读数。ΣΔ ADC（特别是 charge balancing 架构）是最适合此任务的转换器拓扑，因为它天然实现比率测量并可通过数字滤波消除前端动态误差信号。Pertijs 专著 Ch.4-6 系统阐述了从 ΣΔ 系统设计、精密电路实现到低成本校准的完整技术链。本文基于 Pertijs Ch.4 + Ch.5 + Ch.6 提炼。
前后关系
前置知识：
- CMOS智能温度传感器原理 — 温度传感前端原理
- 一阶ΔΣ调制器 — ΣΔ 基础理论
- 二阶ΔΣ调制器MOD2原理 — 二阶调制器
- 增量型ΔΣ转换器 — IADC 原理
- 失调消除技术 — Chopping/Auto-zeroing 基础
本书内部链条：
- CMOS智能温度传感器原理（Ch.1+3）→ CMOS温度传感器ΣΔADC与电路实现（本文，Ch.4+5+6）
1. 温度传感器专用 ΣΔ ADC（Ch.4）
1.1 Charge Balancing 原理
温度传感器 ADC 的核心任务是将 的比率数字化。Charge balancing 直接实现这一目标：
- 积分器输入端交替注入与 和 成比例的电荷
- 比较器输出（比特流）的 1/0 比率直接编码温度
- 输出码
同步 vs 异步调制：
- 同步：ΣΔ 时钟与 chopping/DEM 时钟同步 → 动态误差信号在特定相位被采样
- 异步：两者独立 → 动态误差被”混频”到带外，需数字滤波
1.2 一阶 ΣΔ 调制器在温度传感中的应用
一阶调制器 的优势：
- 无条件稳定
- 泄漏误差可控（积分器泄漏 → 有限 DC 增益等效）
- 抽取滤波器简单（Sinc 或累加器）
分辨率需求：温度传感器需要 ~15-bit 分辨率（对应 ~0.01°C），一阶调制器需要高 OSR。
1.3 二阶 ΣΔ 调制器
二阶调制器 提供更高噪声整形阶数，在相同 OSR 下获得更高分辨率：
- IBN （vs 一阶的 ）
- 稳定性需特别关注（环路滤波器设计）
增量操作：温度传感器是准静态测量，适合增量型 ΣΔ（每个转换周期复位），避免 idle tone 和 memory effect。
1.4 抽取滤波器设计
| 滤波器类型 | 特性 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 匹配环路滤波器 | 与调制器 NTF 匹配的最优滤波 | 最高精度 |
| 窗函数滤波器 | Hanning/Hamming 等窗 | 良好的旁瓣抑制 |
| 线性缩放 | 对 bitstream 加权求和 | 简单实现 |
| 非线性补偿 | 补偿调制器非线性 | 高精度校正 |
1.5 动态误差信号滤波（温度传感器特有挑战）
温度传感器前端使用 DEM 和 chopping 消除 mismatch 和失调，这些技术产生调制频率处的周期性误差信号。ΣΔ ADC 必须能够滤除这些信号：
Normal-Mode Rejection（NMR）：
- 调制频率 处的信号被 ΣΔ 环路抑制的能力
- 一阶调制器：NMR
- 需要 与 ΣΔ 采样频率有特定关系以实现最大抑制
Bitstream 控制时序：
- DEM/chopping 时钟由 ΣΔ 比特流控制
- 确保每个转换周期内动态误差信号的时间平均为零
- 关键设计：DEM 切换频率与 ΣΔ 时钟的同步关系
2. 精密电路技术（Ch.5）
2.1 CT vs SC 实现对比
| 维度 | 连续时间（CT） | 开关电容（SC） |
|---|---|---|
| Charge balancing 实现 | 电流源积分 | 电容电荷转移 |
| 精度 | 受 RC 时间常数偏差影响 | 电容比精确 |
| 噪声 | 电阻热噪声 | kT/C 采样噪声 |
| 功耗 | 连续电流消耗 | 开关功耗 |
| 失调消除 | Chopping | Auto-zeroing |
| DEM | 电流源 DEM | 电容 DEM |
2.2 Bipolar 前端噪声分析
温度传感器的噪声预算主要由 bipolar 前端决定：
自加热限制：偏置电流不能过大，否则自加热引起温度误差（最大允许功耗由封装热阻决定）。
2.3 高级失调消除技术
电荷注入补偿（§5.4.1）：
- 开关电荷注入是 chopping/AZ 的主要残余失调源
- 补偿方法：dummy 开关、bottom-plate sampling、电荷回收
高级 Chopping（§5.4.2）：
- 多级 chopping（nested chopper）
- 纹波减小环路（ripple reduction loop）
- 与 ΣΔ 调制的协同设计
高级 Auto-zeroing（§5.4.3）：
- 输出 offset storage（OOS）vs 输入 offset storage（IOS）
- ping-pong AZ（交替采样/放大）
- 与 chopping 的组合（chopped AZ）
系统级技术（§5.4.4）：
- DEM 与 ΣΔ 的协同设计
- 数字后校正
- 动态误差的全系统消除策略
3. 校准技术（Ch.6）
3.1 校准的挑战
封装后 受应力偏移，需在封装后校准。传统方法（对比精确温度计）需分钟级热稳定时间，远长于电学测试时间（秒级），成本不可接受。
3.2 三种低成本校准技术
| 技术 | 原理 | 精度 | 时间 |
|---|---|---|---|
| 批量校准（Batch） | 整批芯片同时测量，统计平均 | 中等 | 短 |
| ΔV_BE 校准 | 利用 的高精度性反推芯片温度 | 高（±0.1°C 级） | 秒级 |
| 电压参考校准 | 测量芯片 bandgap 参考电压，与标称值比较提取修调参数 | 中等 | 秒级 |
3.3 ΔV_BE 校准原理
的精度远高于 （仅依赖电流密度比 ，不受 偏差影响）。在已知环境温度 下测量 ：
将 与 测量值关联，提取修调系数。由于 测量精度极高（~0.1°C），此校准方法的精度仅受限于 修调的外推精度。
3.4 从校准点外推
单点校准获得 在 的偏差后，利用 误差的 PTAT 特性外推到全温度范围：
残余误差来自非 PTAT 成分（曲率、 温度依赖、应力非线性）。
4. 三款原型芯片 Benchmark（Ch.7 概要）
| 原型 | 工艺 | 精度（3σ） | 温度范围 | 核心技术 |
|---|---|---|---|---|
| 原型 1 | CMOS | ±1.5°C | 0-100°C | Batch calibration, 基础 ΣΔ |
| 原型 2 | CMOS | ±0.5°C | -50°C 到 120°C | DEM, PTAT修调, 二阶 ΣΔ |
| 原型 3 | CMOS | ±0.1°C | -55°C 到 125°C | DEM + CGDB + 曲率校正 + 精密偏置 + ΔV_BE校准 |
原型 3 的 ±0.1°C 精度是当时 CMOS 智能温度传感器的最佳报道，可与 Class-A 铂电阻温度计（±0.5°C）竞争。
参考文献
- M. A. P. Pertijs, J. H. Huijsing, Precision Temperature Sensors in CMOS Technology, Springer, 2006, Ch. 4-7.
- M. A. P. Pertijs, K. A. A. Makinwa, J. H. Huijsing, “A CMOS temperature sensor with a 3σ inaccuracy of ±0.1°C from -55°C to 125°C,” ISSCC Dig. Techn. Papers, Feb. 2005.
- A. Bakker, J. H. Huijsing, High-Accuracy CMOS Smart Temperature Sensors, Kluwer, 2000.
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