MAX1464的片上溫度傳感器

max1464是一款高性能數字信號調理器，包括一個(gè)內部溫度傳感器，該傳感器可用來(lái)校正與溫度相關(guān)的信號，或作為一個(gè)性能可與業(yè)界領(lǐng)先的溫度傳感器相媲美的獨立溫度計。本應用筆記介紹了max1464的片上溫度傳感器，并給出了欲獲得接近測試系統重復性的溫度讀數時(shí)建議采用的方法。

引言

max1464是一款高性能數字信號調理器，帶片上溫度傳感器，在-40°c至+125°c的工作溫度范圍內輸出分辨率近似為+2mv/°c。內置的16位adc以類(lèi)似于轉換傳感器輸入的方式，對內部溫度傳感器輸出進(jìn)行轉換。對溫度傳感器輸出進(jìn)行轉換時(shí)，adc (adc_t對應溫度傳感器輸出)自動(dòng)采用四倍的內部帶隙電壓4 x 1.25v = 5v)作為adc_t基準電壓。溫度數據格式是15位數據加符號位的二進(jìn)制補碼形式。為提高溫度分辨率，可對max1464的coarse offset (co) dac進(jìn)行編程以實(shí)現溫度傳感器輸出的失調調零，并且可設置pga增益來(lái)放大溫度傳感器輸出。內部cpu可用來(lái)提供額外的數字式增益和失調校正。

與先前推出的產(chǎn)品max1463相比，max1464大大改進(jìn)了片上溫度傳感器的比例誤差(或電源抑制比，psrr)。本應用筆記對max1464的psrr進(jìn)行量化，并且給出一個(gè)可將該誤差進(jìn)一步減小75%的簡(jiǎn)單公式。

計算溫度傳感器輸出

表1給出了max1464分別在4.5v、5.0v和5.5v vdd電源下的歸一化溫度傳感器輸出(采用50個(gè)樣本的測試結果)，器件內部設置為：cot[3:0] = 1101，pgat[4:0] = 00001 (pga增益 = 7.7)。(更高的pga增益將導致adc飽和，從而使輸出結果無(wú)效。) 如表1所示，在-40°c至+125°c溫度范圍內，vdd = 5v時(shí)adc_t輸出范圍的歸一化adc結果為0.4830 (約16,000個(gè)adc計數)。因此，我們分析時(shí)用0.4830作為溫度傳感器的滿(mǎn)量程輸出，用滿(mǎn)量程百分比(% fs)來(lái)表示溫度傳感器的誤差。在實(shí)際應用中，可以使用max1464的內部cpu為溫度傳感器輸出提供額外的數字式增益和失調校準，從而獲得經(jīng)過(guò)校準的溫度輸出。應用筆記：max1464 signal-conditioner, sensor compensation algorithm，演示了cpu的這種用途。

1- 用adc來(lái)轉換vdd時(shí)，max1464自動(dòng)提供0.7的增益。
2- 讀vdd時(shí)，只有當pga[4:0] = 00000時(shí)結果才有效。更高的增益設置將導致adc飽和。

psrr的計算及優(yōu)化

max1464的片上溫度傳感器最初僅用于傳感器補償。出于這個(gè)目的，絕對精度對最終產(chǎn)品而言就顯得無(wú)關(guān)緊要。然而，溫度傳感器的重復性和比例誤差對最終產(chǎn)品的性能影響重大。max1464的片上溫度傳感器具有極佳的重復性。-40°c至+125°c范圍內100個(gè)離散溫度點(diǎn)讀數的最大標準偏差僅為2.5個(gè)adc計數或0.016% fs。由此看來(lái)，max1464的重復性比市場(chǎng)上大多數性能出色的溫度傳感器還好。

max1464還具有極低的比例誤差。根據表1中給出的數據，圖1表示最大比例誤差為0.64% fs，并且出現在vdd = 4.5v和t = +125°c時(shí)。對于總體誤差率為1%的器件，該比例誤差造成的影響僅占0.0064% (0.64% x 1% = 0.0064%)。

盡管比例誤差很小，仍然能進(jìn)行校正以改善性能。

圖1的誤差曲線(xiàn)表明，vdd為4.5v和5.5v時(shí)，+70°c對應比例誤差曲線(xiàn)的中點(diǎn)。在中點(diǎn)(+70°c)附近簡(jiǎn)單地移動(dòng)一下誤差曲線(xiàn)，就可顯著(zhù)地減小誤差。

式1是+70°c時(shí)的比例誤差函數。

(式1) adc_t_error(vdd, 70c) = 0.088111 x vdd^2 - 0.14959 x vdd + 0.061092

從每個(gè)adc_t讀數中減去該誤差函數可以消除+70°c時(shí)的誤差，并使誤差曲線(xiàn)以0%線(xiàn)為中心。圖2繪出了表1中的讀數減去式1后的結果。這一簡(jiǎn)單的校正方法將本身已經(jīng)較小的內部溫度傳感器的比例誤差減少了75%，即從0.64%減為0.15%。

在那些需要更好的比例性能的應用中，必須在多個(gè)溫度點(diǎn)標定溫度傳感器的特性，并且式1必須被進(jìn)一步擴展為溫度的函數。此時(shí)應注意，一般來(lái)說(shuō)比例誤差與設計和工藝過(guò)程有關(guān)；同一類(lèi)型的所有器件其比例誤差曲線(xiàn)通常具有相似的形狀和大小。因此，用戶(hù)可以定義一個(gè)函數來(lái)描述具有代表性的一組樣本的比例誤差，并將該函數推廣運用到整個(gè)產(chǎn)品系列。無(wú)論需要單點(diǎn)溫度校正還是多點(diǎn)溫度校正，僅需要在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段計算一次。然后將得到的公式整合到補償算法中。

式1是根據實(shí)際數據得出的，因此它可以作為設計起點(diǎn)，并可根據需要修改/擴展。實(shí)施多點(diǎn)補償時(shí)，可減小比例誤差以接近測試系統/max1464/傳感器的重復性。

max1464作為溫度計

片上溫度傳感器為傳感器補償而設計。但是，如果對max1464的溫度傳感器進(jìn)行校準，它可用作溫度計來(lái)監測器件的準確溫度。雖然相似器件的比例誤差僅校準一次，但是每個(gè)器件必須單獨校準以實(shí)現更高的精度。這是因為不同器件的adc_t輸入信號分量(溫度傳感器失調、溫度傳感器靈敏度以及co dac輸出)差異極大。

溫度傳感器的精度受到用戶(hù)所進(jìn)行的校準級別的影響。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)對溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度校準，并在adc_t讀數中整合特性函數，用戶(hù)可以獲得高于市場(chǎng)上大多數性能出色的溫度傳感器的精度。通常，只在兩個(gè)溫度點(diǎn)校準溫度傳感器可獲得±2°c的精度(圖3)。當對各adc_t讀數執行溫度傳感器校正時(shí)，該過(guò)程僅使總的補償過(guò)程增加幾毫秒，使max1464的信號環(huán)路處理增加幾微秒。

由于max1464的架構整合了溫度傳感器輸出和粗調-失調dac輸出以生成adc_t輸入，不校準各個(gè)溫度傳感器不可能獲得溫度精度。不用說(shuō)，溫度傳感器用于正常的傳感器信號補償時(shí)不需要校準。