MAX1464的片上溫度傳感器

摘要：MAX1464是一款高性能數(shù)字信號調(diào)理器，包括一個內(nèi)部溫度傳感器，該傳感器可用來校正與溫度相關(guān)的信號，或作為一個性能可與業(yè)界領(lǐng)先的溫度傳感器相媲美的獨(dú)立溫度計(jì)。本應(yīng)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(tǒng)重復(fù)性的溫度讀數(shù)時建議采用的方法。

引言

MAX1464是一款高性能數(shù)字信號調(diào)理器，帶片上溫度傳感器，在-40°C至+125°C的工作溫度范圍內(nèi)輸出分辨率近似為+2mV/°C。內(nèi)置的16位ADC以類似于轉(zhuǎn)換傳感器輸入的方式，對內(nèi)部溫度傳感器輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對溫度傳感器輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，ADC (ADC_T對應(yīng)溫度傳感器輸出)自動采用四倍的內(nèi)部帶隙電壓4 x 1.25V = 5V)作為ADC_T基準(zhǔn)電壓。溫度數(shù)據(jù)格式是15位數(shù)據(jù)加符號位的二進(jìn)制補(bǔ)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(xiàn)溫度傳感器輸出的失調(diào)調(diào)零，并且可設(shè)置PGA增益來放大溫度傳感器輸出。內(nèi)部CPU可用來提供額外的數(shù)字式增益和失調(diào)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(yīng)用筆記對MAX1464的PSRR進(jìn)行量化，并且給出一個可將該誤差進(jìn)一步減小75%的簡單公式。

計(jì)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個樣本的測試結(jié)果)，器件內(nèi)部設(shè)置為：COT[3:0] = 1101，PGAT[4:0] = 00001 (PGA增益 = 7.7)。(更高的PGA增益將導(dǎo)致ADC飽和，從而使輸出結(jié)果無效。) 如表1所示，在-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)，VDD = 5V時ADC_T輸出范圍的歸一化ADC結(jié)果為0.4830 (約16,000個ADC計(jì)數(shù))。因此，我們分析時用0.4830作為溫度傳感器的滿量程輸出，用滿量程百分比(% fs)來表示溫度傳感器的誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用MAX1464的內(nèi)部CPU為溫度傳感器輸出提供額外的數(shù)字式增益和失調(diào)校準(zhǔn)，從而獲得經(jīng)過校準(zhǔn)的溫度輸出。應(yīng)用筆記：MAX1464 Signal-Conditioner, Sensor Compensation Algorithm，演示了CPU的這種用途。

表1. MAX1464的歸一化ADC讀數(shù)

Supply Voltage	Typical Temperature-Sensor output (PGAT[4:0] = 00001; COT[3:0] = 1101)						VDD1,2
	-40°C	0°C	+25°C	+70°C	+85°C	+125°C	+70°C
4.5V	-0.26218	-0.14002	-0.08126	0.06909	0.11344	0.22223	0.61602
5.0V	-0.26384	-0.14195	-0.08328	0.06671	0.11097	0.21912	0.68393
5.5V	-0.26480	-0.14311	-0.08451	0.06516	0.10936	0.21684	0.75118

1- 用ADC來轉(zhuǎn)換VDD時，MAX1464自動提供0.7的增益。
2- 讀VDD時，只有當(dāng)PGA[4:0] = 00000時結(jié)果才有效。更高的增益設(shè)置將導(dǎo)致ADC飽和。

PSRR的計(jì)算及優(yōu)化

MAX1464的片上溫度傳感器最初僅用于傳感器補(bǔ)償。出于這個目的，絕對精度對最終產(chǎn)品而言就顯得無關(guān)緊要。然而，溫度傳感器的重復(fù)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(fù)性。-40°C至+125°C范圍內(nèi)100個離散溫度點(diǎn)讀數(shù)的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為2.5個ADC計(jì)數(shù)或0.016% fs。由此看來，MAX1464的重復(fù)性比市場上大多數(shù)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(jù)表1中給出的數(shù)據(jù)，圖1表示最大比例誤差為0.64% fs，并且出現(xiàn)在VDD = 4.5V和T = +125°C時。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%)。


圖1. MAX1464溫度傳感器的典型比例誤差，該誤差是溫度和電源電壓的函數(shù)。

盡管比例誤差很小，仍然能進(jìn)行校正以改善性能。

圖1的誤差曲線表明，VDD為4.5V和5.5V時，+70°C對應(yīng)比例誤差曲線的中點(diǎn)。在中點(diǎn)(+70°C)附近簡單地移動一下誤差曲線，就可顯著地減小誤差。

式1是+70°C時的比例誤差函數(shù)。

(式1) ADC_T_error(Vdd, 70C) = 0.088111 x Vdd^2 - 0.14959 x VDD + 0.061092

從每個ADC_T讀數(shù)中減去該誤差函數(shù)可以消除+70°C時的誤差，并使誤差曲線以0%線為中心。圖2繪出了表1中的讀數(shù)減去式1后的結(jié)果。這一簡單的校正方法將本身已經(jīng)較小的內(nèi)部溫度傳感器的比例誤差減少了75%，即從0.64%減為0.15%。


圖2. 進(jìn)行單點(diǎn)溫度校正后，MAX1464溫度傳感器的典型比例誤差。

在那些需要更好的比例性能的應(yīng)用中，必須在多個溫度點(diǎn)標(biāo)定溫度傳感器的特性，并且式1必須被進(jìn)一步擴(kuò)展為溫度的函數(shù)。此時應(yīng)注意，一般來說比例誤差與設(shè)計(jì)和工藝過程有關(guān)；同一類型的所有器件其比例誤差曲線通常具有相似的形狀和大小。因此，用戶可以定義一個函數(shù)來描述具有代表性的一組樣本的比例誤差，并將該函數(shù)推廣運(yùn)用到整個產(chǎn)品系列。無論需要單點(diǎn)溫度校正還是多點(diǎn)溫度校正，僅需要在產(chǎn)品開發(fā)階段計(jì)算一次。然后將得到的公式整合到補(bǔ)償算法中。

式1是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)得出的，因此它可以作為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，并可根據(jù)需要修改/擴(kuò)展。實(shí)施多點(diǎn)補(bǔ)償時，可減小比例誤差以接近測試系統(tǒng)/MAX1464/傳感器的重復(fù)性。

MAX1464作為溫度計(jì)

片上溫度傳感器為傳感器補(bǔ)償而設(shè)計(jì)。但是，如果對MAX1464的溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，它可用作溫度計(jì)來監(jiān)測器件的準(zhǔn)確溫度。雖然相似器件的比例誤差僅校準(zhǔn)一次，但是每個器件必須單獨(dú)校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)更高的精度。這是因?yàn)椴煌骷腁DC_T輸入信號分量(溫度傳感器失調(diào)、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所進(jìn)行的校準(zhǔn)級別的影響。一般來說，通過對溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度校準(zhǔn)，并在ADC_T讀數(shù)中整合特性函數(shù)，用戶可以獲得高于市場上大多數(shù)性能出色的溫度傳感器的精度。通常，只在兩個溫度點(diǎn)校準(zhǔn)溫度傳感器可獲得±2°C的精度(圖3)。當(dāng)對各ADC_T讀數(shù)執(zhí)行溫度傳感器校正時，該過程僅使總的補(bǔ)償過程增加幾毫秒，使MAX1464的信號環(huán)路處理增加幾微秒。


圖3. 校準(zhǔn)ADC_T讀數(shù)后MAX1464的溫度誤差，(PGAT[4:0] = 00001; COT[3:0] = 1101)。

由于MAX1464的架構(gòu)整合了溫度傳感器輸出和粗調(diào)-失調(diào)DAC輸出以生成ADC_T輸入，不校準(zhǔn)各個溫度傳感器不可能獲得溫度精度。不用說，溫度傳感器用于正常的傳感器信號補(bǔ)償時不需要校準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

1. MAX1464數(shù)據(jù)資料
2. 應(yīng)用筆記, MAX1464 Signal-Conditioner, Sensor Compensation Algorithm