[发明专利]基于闭环振荡器的传感器接口电路

说明书

本发明涉及基于振荡器的传感器接口电路包括：第一和第二输入节点，分别用于接收第一和第二电信号,模拟滤波器，被布置用于对至少第一电信号进行滤波,振荡装置，包括至少第一振荡器和与第一振荡器不同的第二振荡器,比较器装置，被布置用于比较来自第一和第二振荡器的信号，并根据比较来输出数字比较器输出信号，第一反馈元件，被布置用于接收数字比较器输出信号的表示，并将表示转换为要直接应用于或分别与第一和/或第二振荡器输入信号组合来应用于振荡装置的第一反馈信号，数字滤波器，被布置用于得到作为数字比较器输出信号的经滤波的版本的输出信号，第二反馈元件，被布置成用于接收输出信号并且用于将输出信号转换成第二反馈信号。

技术领域

本发明总体上涉及用于传感器系统的传感器接口电路的领域。

背景技术

传感器在需要更精细并且甚至更智能控制的任何领域中变得越来越重要。示例在不断增长的汽车应用或无线传感器网络(WSN)领域中找到。在汽车行业中，传感器对于范围从增加的安全性到道路稳定性以及到改善由客户要求的汽车性能和可靠性的应用而言是至关重要的。进一步地，紧凑和低功率的传感器接口需要在不断增长的市场上具有竞争力，并且能够针对‘物联网’实现新的应用。

尽管市场要求附加功能，但价格压力依然存在。硅面积是传感器接口成本的主要因素，因此接口电路必须制造得尽可能小。这应该不但对于当今使用的技术节点(和对于汽车行业而言仍然相对较大的技术节点)有效，而且在更先进的技术中也有效。

为了实现小面积和低功耗限制，正在研究新的传感器接口架构。而传统的结构包含大型的和耗电的模拟构件，最近重点已经转移到频率转换，而不是电压转换。现在简要介绍这两种方法。

传感器信号在时间上和在幅度上是连续的。传统上，该模拟信号被放大、被采样并通过模数转换器(ADC)被转换到数字域。公知的ADC类型是Δ-Σ(Delta-Sigma)ADC，该Δ-ΣADC利用输入信号的过采样和噪声整形技术来获得改善的精度。在大多数应用中，传感器信号频率从DC变化到高达10kHz-100kHz，这允许Δ-Σ转换器所需的过采样。

基于时间/频率的转换机制通过使用已知的时间/频率信号而不是电压作为参考来量化连续输入信号。通常，基于时间/频率的转换电路包含两个构件：电压至时间转换器(VTC)和时间至数字转换器(TDC)，电压至时间转换器(VTC)将模拟信号c(t)转换为时间或频率信息f(t)，而时间至数字转换器(TDC)在参考频率的帮助下将该信息进行数字化。为了实现期望的分辨率，需要准确的参考时钟信号。该时间/频率转换技术由于其与较新的CMOS技术的兼容性而越来越流行。分辨率现在取决于时钟频率，而不是模拟电压值的准确性。降低的栅极电容导致了更小的栅极延迟，改善了这些缩放技术中的时序分辨率。此外，当信息被存储为频率信息时，与其被存储为电压信息时不同，它不太容易受到噪音的影响。传感器信号在大多数应用中由其低频率来表征，并且因此使用该数字化方式是理想的。

如图1中的基于闭环振荡器的传感器接口组合了基于时间的转换器(小型且可随技术缩放)和Σ-ΔADC(由于过采样和噪声整形而具有高准确性)的优点。该架构基本上是锁相环(PLL)结构，但它也具有与如在论文“一种用于电阻式压力传感器的新型的基于PLL的传感器接口(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页，2010年)所解释的Σ-Δ转换器的相似性。它具有相同的噪声整形特性，该噪声整形特性有助于增加准确性(例如以SNR的形式来表达)。

基于闭环振荡器的传感器读出电路的典型设置包含：两个受控振荡器(例如匹配的两个压控振荡器(VCO))、用于比较两个振荡器输出之间的相位差的二进制相位检测器和朝向传感装置的反馈机制。接口电路的数字输出信号也从相位检测器输出导出。任选地，在相位检测器之后提供数字滤波器，以在相位检测器输出被反馈回并用作为接口电路的输出信号之前对其进行滤波。