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:

本书内部链条:


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ChoppingAuto-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 1CMOS±1.5°C0-100°CBatch calibration, 基础 ΣΔ
原型 2CMOS±0.5°C-50°C 到 120°CDEM, PTAT修调, 二阶 ΣΔ
原型 3CMOS±0.1°C-55°C 到 125°CDEM + 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

  1. M. A. P. Pertijs, J. H. Huijsing, Precision Temperature Sensors in CMOS Technology, Springer, 2006, Ch. 4-7.
  2. 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.
  3. A. Bakker, J. H. Huijsing, High-Accuracy CMOS Smart Temperature Sensors, Kluwer, 2000.

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