换能器测量制造技术

诸如跨导线性与绝对温度成正比传感器之类的换能器使用两个放大器，其中每个放大器都被用于各种模式。第一放大器在模拟电路中通过反馈生成测量电压。第二放大器采样以及以开关电容器模式对测量进行积分，并且输出被存储在电容器上。然后第一放大器被设置以测量其偏移。偏移被第二放大器采样和积分，并且输出被存储在第二电容器上。然后第一和第二放大器被设置以缓冲存储在电容器上的电压。测量可然后通过数字或模拟手段被偏移调整。经调整的测量然后可用于校准例如图像传感器。诸如压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、和xyz定位传感器之类的其他换能器可采用相同的双放大器方式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】换能器测量背景诸如温度传感器、压力传感器和应变传感器的换能器可包括放大器或与放大器配对。此类换能器包括差分温度传感器，诸如与绝对温度成正比(PTAT)电路和跨导线性PTAT电路。概述诸如跨导线性与绝对温度成正比(PTAT)传感器之类的换能器使用两个放大器，其中每个放大器都被用于各种模式。第一放大器在模拟电路中通过反馈生成测量电压。第二放大器采样以及；以开关电容器模式对测量进行积分，并且输出被存储在电容器上。然后第一放大器被设置以测量其偏移。偏移被第二放大器采样和积分，并且输出被存储在第二电容器上。然后第一和第二放大器被设置以缓冲存储在电容器上的电压。测量可然后通过数字或模拟手段被偏移调整。经调整的测量然后可用于校准例如诸如飞行时间深度相机传感器之类的图像传感器。诸如非跨导线性差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、和xyz定位传感器之类的其他换能器可采用相同的双放大器方式。在示例性实施例中，PTAT利用在两个二元结晶体管(BJT)电流之间具有缩放因子K的两个电流源，因此将一个源设置为电流I而将另一个源设置为电流K*I。此实现中不存在电阻器，而差分放大器被用于反馈环路中以驱动M倍缩放BJT的基极电压，并在其输出处生成PTAT电压。依靠缩放比率和可编程增益而不是精密的电阻匹配提供更准确的PTAT系统，该系统对处理灵敏度和失配具有鲁棒性。该架构还通过消除输入参考的放大器偏移，在宽温度范围内保持输出的线性。可通过迭代开关电容器放大操作来实现可编程增益。放大器的重复使用允许采样和消除由放大器偏移引起的误差。这允许系统在很大的温度范围内保持线性。重复使用诸如放大器之类的组件执行各种操作可在节省面积和功率的同时保持性能。用于可编程增益、误差消除和组件重复使用的技术可被应用于其他换能器类型，诸如非跨导线性差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、和xyz定位传感器。提供本概述以便以简化的形式介绍将在以下的详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中提及的任何或所有缺点的限制。附图简述图1是具有与绝对温度成正比(PTAT)模拟参考生成器的电路的示意图。图2是示例跨导线性温度传感器级的示意图，包括具有多种操作模式的放大器，其中开关被设置为进行温度测量。图3是示例开关电容器增益级的示意图，包括具有多种操作模式的放大器，其中开关被设置为清除增益级。图4是图3的增益级的采样、积分和保持操作模式的时序图。图5是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为采样来自传感器级的输入。图6是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为积分经采样的输入信号。图7是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为将温度测量读数保持在电容器C3上。图8是图2的传感器级的示意图，其中开关被设置为测量传感器级的偏移。图9是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为将偏移读数保持在电容器C4上。图10是图3的增益级的示意图，其中开关被设置为缓冲温度测量读数。图11是图2的传感器级的示意图，其中开关被设置为对温度测量读数进行偏移。图12是传感器和增益级的操作的流程图，其中开关被设置为缓冲偏移测量读数。图13示出了温度传感器级的输出及其线性。图14示出了差分输出的组件，包括温度测量和偏移测量输出(两者都在增益级之后)、以及经结合的差分输出。图15示出了经偏移调整的输出及其线性。图16示出了模拟过程和操作条件变化的最终输出及其线性。图17示出了包括换能器和放大器、以及由换能器测量校准的传感器的系统。详细描述诸如与绝对温度成正比传感器之类的换能器使用两个放大器，其中每个放大器都被用于各种模式。首先，第一放大器在模拟电路中通过反馈生成依赖于温度的测量电压。接着，第二放大器采样测量以及以开关电容器模式对测量进行积分，并且输出被存储在电容器上。然后，第一放大器被设置以测量其偏移。偏移被第二放大器采样和积分，并且输出被存储在第二电容器上。然后，第一和第二放大器被设置以缓冲存储在电容器上的电压。测量可然后通过数字或模拟手段被偏移调整。经调整的测量然后可被用于校准例如图像传感器。例如，图像传感器可以是彩色相机的一部分，其中热校准在捕捉真实颜色中是有用的。替换地，图像传感器可以是深度相机系统的一部分，诸如在视频游戏系统中在确定玩家的位置和移动方面有用的飞行时间深度相机，其中热校准在作出对玩家位置和移动更准确的评估方面是有用的。模拟传感器电路是与绝对温度成正比(PTAT)电路，其包括两个缩放的BJT晶体管、两个缩放的电流源、以及用于反馈环路的第一放大器。放大器的差分输入被连接到BJT的发射极。第一放大器的输出驱动一个BJT的基极电压，并在其输出端生成PTAT电压。与许多其他PTAT电路不同，由于不存在电阻器，而因此不需要高电阻值或闭合电阻值匹配。依靠缩放比率而不是精密的电阻匹配提供更准确的PTAT系统，该系统对处理灵敏度和失配具有鲁棒性。PTAT电压由作为具有比率度量增益的开关电容器放大器操作的第二放大器放大。可通过设置开关电容器样本和积分阶段的迭代次数来编程增益。两个放大器都可被重复使用，首先进行偏移读取，并然后缓冲温度测量和偏移读数。放大器的重复使用不仅提供了经减小的集成电路面积和功率节省的经济性，而且还提供了自消除操作，由此输出基本上不受偏置电压值的变化或任一放大器的偏移的影响。这在宽温度变化下提供了非常高的系统线性，其进而减少了系统校准的需要。用于可编程增益、误差消除和组件重复使用的技术可被应用于其他换能器类型，诸如非跨导线性差分温度传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、或xyz定位传感器。图1是具有模拟参考生成器的与绝对温度成正比(PTAT)电路100的示意图。两个缩放双极结型晶体管(BJT)Q100和Q102(其中Q102比Q100大M倍)为输出电流分量提供正或负温度系数。Q100的发射极端子被连接到放大器U102的负输入。Q102的发射极端子通过电阻R100被连接到放大器的正输入。放大器U102的输出被馈送到各MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)M100、M102和M104的栅极以生成具有温度系数的电流。各MOSFETM100、M102和M104的源极被连接到正电源电压。MOSFET100的漏极馈送BJTQ100的发射极。MOSFET102的漏极通过电阻器R100馈送BJTQ102的发射极。MOSFET104的漏极馈送另一电阻器R102，以提供输出电压V100，其中R102的另一端被接地。通过连接M100、M102和M104的栅极，通过BJT的参考电流通过电阻器R102被转换为依赖于温度的电压V100。可例如在数字化之前执行对电压V100的进一步放大。图1的PTAT拓扑结构具有低增益并需要较大的电阻器值和精密匹配以降低过程灵敏度。此外，因为由PTAT核生成的电压是单端的，所以任何后续放大器都可能降级系统的线性、降低噪声抗扰度、并损害系统灵敏度。即使在中等温度范围内，这也可能导致测得温度的不可预测性。而且，用于在图1的反馈配置中生成ΔVBE的放大器U102本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导出换能器测量和偏移测量的方法，包括：采样第一放大器的第一输出，其中所述第一放大器被设置为测量反馈模式，以创建测量样本；使用第二放大器积分所述测量样本，其中所述第二放大器被设置为开关电容器模式，以创建测量输出电压；将所述测量输出电压保持在第一保持电容器上；采样所述第一放大器的第二输出，其中所述第一放大器被设置为第一缓冲模式，以创建偏移样本；以所述开关电容器模式使用所述第二放大器积分所述偏移样本以创建偏移输出电压；将所述偏移输出电压保持在第二保持电容器上；使用所述第二放大器缓冲所述第一保持电容器上的所述测量输出电压，其中所述第二放大器被设置为第二缓冲模式，以创建最终缓冲的测量电压；以及使用所述第一放大器缓冲所述第二保持电容器上的所述偏移输出，其中所述第一放大器被设置为第三缓冲模式，以创建最终缓冲的偏移电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.13 US 15/097,7071.一种导出换能器测量和偏移测量的方法，包括：采样第一放大器的第一输出，其中所述第一放大器被设置为测量反馈模式，以创建测量样本；使用第二放大器积分所述测量样本，其中所述第二放大器被设置为开关电容器模式，以创建测量输出电压；将所述测量输出电压保持在第一保持电容器上；采样所述第一放大器的第二输出，其中所述第一放大器被设置为第一缓冲模式，以创建偏移样本；以所述开关电容器模式使用所述第二放大器积分所述偏移样本以创建偏移输出电压；将所述偏移输出电压保持在第二保持电容器上；使用所述第二放大器缓冲所述第一保持电容器上的所述测量输出电压，其中所述第二放大器被设置为第二缓冲模式，以创建最终缓冲的测量电压；以及使用所述第一放大器缓冲所述第二保持电容器上的所述偏移输出，其中所述第一放大器被设置为第三缓冲模式，以创建最终缓冲的偏移电压。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括经由数字状态机设置所述放大器的模式，其中所述数字状态机包括数字逻辑电路、微处理器、微控制器或现场可编程逻辑器件。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括通过以所述开关电容器模式迭代所述第二放大器的所述积分来放大所述测量样本或所述偏移样本。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二放大器包括差分输入，所述差分输入包括正输入和负输入，并且当所述第二放大器设置为开关电容器模式时，所述正输入被连接到参考电压，所述负输入被连接到采样电容器，且所述第二放大器的所述输出通过积分电容器被连接到负输入，其中所述采样电容器和积分电容器具有相同的值。5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括使用换能器电路导出所述测量样本，其中所述换能器电路包括处于所述测量反馈模式的所述第一放大器，以及其中所述换能器电路是差分温度传感器、与绝对温度成正比传感器、压力传感器、应变传感器、陀螺仪、磁力计、加速度计、或xyz定位传感器。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：数字化所述最终缓冲的偏移电压和所述最终缓冲的测量电压；从经数字化的缓冲测量电压中减去经数字化的最终缓冲的偏移电压；以及使用来自所述经数字化的缓冲的测量电压的所述经数字化的最终缓冲的偏移电压来校准图像传感器的操作。7.一种深度相机系统，包括：图像传感器；数字状态机，所述数字状态机包括数字逻辑电路、微处理器、微控制器或现场可编程逻辑器件；模数转换器；具有可配置模式的第一放大器和具有可配置模式的第二放大器；以及温度传感器，所述温度传感器包括跨导线性与绝对温度成正比传感器电路；其中所述第一放大器的所述模式包括测量反馈模式，偏移采样模式，以及偏移缓冲模式；其中所述第二放大器的所述模式包括输入采样模式，积分模式，测量输出保持模式，偏移输出保持模式，测量缓冲模式；以及其中所述数字状态机被配置为以受控序列操纵所述第一放大器和第二放大器的所述模式，所述序列包括：第一序列，所述第一序列包括将所述第一放大器设置为所述测量反馈模式，然后将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·斯诺，B·汤普森，M·穆卡达姆，S·吴尔斯特，S·姆卡蒂，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US