[發(fā)明專利]基于閉環(huán)振蕩器的傳感器接口電路

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110576669.5
• 申請(qǐng)日: 2021-05-26
• 公開（公告）號(hào): CN113726328A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·維爾高文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 邁來芯科技有限公司
• 主分類號(hào): H03K19/0175
• 分類號(hào): H03K19/0175;G01D11/00
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 黃嵩泉;張?chǎng)?/td>

本發(fā)明涉及基于振蕩器的傳感器接口電路包括：第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)，分別用于接收第一和第二電信號(hào),模擬濾波器，被布置用于對(duì)至少第一電信號(hào)進(jìn)行濾波,振蕩裝置，包括至少第一振蕩器和與第一振蕩器不同的第二振蕩器,比較器裝置，被布置用于比較來自第一和第二振蕩器的信號(hào)，并根據(jù)比較來輸出數(shù)字比較器輸出信號(hào)，第一反饋元件，被布置用于接收數(shù)字比較器輸出信號(hào)的表示，并將表示轉(zhuǎn)換為要直接應(yīng)用于或分別與第一和/或第二振蕩器輸入信號(hào)組合來應(yīng)用于振蕩裝置的第一反饋信號(hào)，數(shù)字濾波器，被布置用于得到作為數(shù)字比較器輸出信號(hào)的經(jīng)濾波的版本的輸出信號(hào)，第二反饋元件，被布置成用于接收輸出信號(hào)并且用于將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二反饋信號(hào)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及用于傳感器系統(tǒng)的傳感器接口電路的領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳感器在需要更精細(xì)并且甚至更智能控制的任何領(lǐng)域中變得越來越重要。示例在不斷增長的汽車應(yīng)用或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)領(lǐng)域中找到。在汽車行業(yè)中，傳感器對(duì)于范圍從增加的安全性到道路穩(wěn)定性以及到改善由客戶要求的汽車性能和可靠性的應(yīng)用而言是至關(guān)重要的。進(jìn)一步地，緊湊和低功率的傳感器接口需要在不斷增長的市場(chǎng)上具有競(jìng)爭力，并且能夠針對(duì)‘物聯(lián)網(wǎng)’實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。

盡管市場(chǎng)要求附加功能，但價(jià)格壓力依然存在。硅面積是傳感器接口成本的主要因素，因此接口電路必須制造得盡可能小。這應(yīng)該不但對(duì)于當(dāng)今使用的技術(shù)節(jié)點(diǎn)(和對(duì)于汽車行業(yè)而言仍然相對(duì)較大的技術(shù)節(jié)點(diǎn))有效，而且在更先進(jìn)的技術(shù)中也有效。

為了實(shí)現(xiàn)小面積和低功耗限制，正在研究新的傳感器接口架構(gòu)。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含大型的和耗電的模擬構(gòu)件，最近重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到頻率轉(zhuǎn)換，而不是電壓轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在簡要介紹這兩種方法。

傳感器信號(hào)在時(shí)間上和在幅度上是連續(xù)的。傳統(tǒng)上，該模擬信號(hào)被放大、被采樣并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)被轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。公知的ADC類型是Δ-Σ(Delta-Sigma)ADC，該Δ-ΣADC利用輸入信號(hào)的過采樣和噪聲整形技術(shù)來獲得改善的精度。在大多數(shù)應(yīng)用中，傳感器信號(hào)頻率從DC變化到高達(dá)10kHz-100kHz，這允許Δ-Σ轉(zhuǎn)換器所需的過采樣。

基于時(shí)間/頻率的轉(zhuǎn)換機(jī)制通過使用已知的時(shí)間/頻率信號(hào)而不是電壓作為參考來量化連續(xù)輸入信號(hào)。通常，基于時(shí)間/頻率的轉(zhuǎn)換電路包含兩個(gè)構(gòu)件：電壓至?xí)r間轉(zhuǎn)換器(VTC)和時(shí)間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)，電壓至?xí)r間轉(zhuǎn)換器(VTC)將模擬信號(hào)c(t)轉(zhuǎn)換為時(shí)間或頻率信息f(t)，而時(shí)間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)在參考頻率的幫助下將該信息進(jìn)行數(shù)字化。為了實(shí)現(xiàn)期望的分辨率，需要準(zhǔn)確的參考時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)間/頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)由于其與較新的CMOS技術(shù)的兼容性而越來越流行。分辨率現(xiàn)在取決于時(shí)鐘頻率，而不是模擬電壓值的準(zhǔn)確性。降低的柵極電容導(dǎo)致了更小的柵極延遲，改善了這些縮放技術(shù)中的時(shí)序分辨率。此外，當(dāng)信息被存儲(chǔ)為頻率信息時(shí)，與其被存儲(chǔ)為電壓信息時(shí)不同，它不太容易受到噪音的影響。傳感器信號(hào)在大多數(shù)應(yīng)用中由其低頻率來表征，并且因此使用該數(shù)字化方式是理想的。

如圖1中的基于閉環(huán)振蕩器的傳感器接口組合了基于時(shí)間的轉(zhuǎn)換器(小型且可隨技術(shù)縮放)和Σ-ΔADC(由于過采樣和噪聲整形而具有高準(zhǔn)確性)的優(yōu)點(diǎn)。該架構(gòu)基本上是鎖相環(huán)(PLL)結(jié)構(gòu)，但它也具有與如在論文“一種用于電阻式壓力傳感器的新型的基于PLL的傳感器接口(A novel PLL-based sensor interface for resistive pressuresensors)”(H.Danneels等人,能源工程,2010年Eurosensors，第5卷，第62-65頁，2010年)所解釋的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的相似性。它具有相同的噪聲整形特性，該噪聲整形特性有助于增加準(zhǔn)確性(例如以SNR的形式來表達(dá))。

基于閉環(huán)振蕩器的傳感器讀出電路的典型設(shè)置包含：兩個(gè)受控振蕩器(例如匹配的兩個(gè)壓控振蕩器(VCO))、用于比較兩個(gè)振蕩器輸出之間的相位差的二進(jìn)制相位檢測(cè)器和朝向傳感裝置的反饋機(jī)制。接口電路的數(shù)字輸出信號(hào)也從相位檢測(cè)器輸出導(dǎo)出。任選地，在相位檢測(cè)器之后提供數(shù)字濾波器，以在相位檢測(cè)器輸出被反饋回并用作為接口電路的輸出信號(hào)之前對(duì)其進(jìn)行濾波。