基于铂电阻的惠斯通电桥温度传感器的应用研究

　　摘要：温度传感器应用非常广泛，从工业生产温度监控到生活家电温度监测处处存在。基于铂电阻的惠斯通电桥温度传感器因其可测范围宽而被广泛应用。由于集成电路系统功能越来越丰富，对于温度传感器的读出电路如果输出数字表征量，系统可以简单读取即可得到被测物品或者环境的温度，大大简化了系统设计。本文利用开关电容放大器，将惠斯通电桥温度传感器输出的弱电压信号放大，然后经过Sigma Delta ADC和数字滤波器转换成数字信号，最后通过I2C输出16 bit的精确表征温度的数字信号。设计时先采用Matlab建模，得到sigma delta ADC的系数，然后采用SMIC 0.18μm工艺实现具体电路，芯片供电电源3.3 V。仿真结果表明，输出的数字信号能精确地表征绝对温度值。

　　关键词：惠斯通电桥; 铂电阻; 温度传感器; 开关电容放大器; Sigma Delta ADC;

　　Abstract：Temperature sensors are widely used, ranging from industrial production temperature monitoring to household appliances temperature monitoring. Wheatstone bridge temperature sensor based on platinum resistance is widely used because of its wide measuring range. As the function of integrated circuit system is more and more abundant, if the readout circuit of temperature sensor outputs digital signal, the system can simply read the temperature of the object or environment to be measured, which greatly simplifies the system design. In this paper, a switched capacitor amplifier is used to amplify the weak voltage signal from Wheatstone bridge temperature sensor, and then converted into digital signal through sigma delta ADC and digital filter. Finally, a 16 bit digitalized temperature signal is output by I2C. In the design, MATLAB is used to finish the system design and get the coefficient of sigma delta ADC. Then the real circuit based on SMIC 0.18 um technology is realized with cadence software. The readout circuit adopts 3.3 V power supply. The simulation results show that the output digital signal can accurately characterize the absolute temperature value.

　　引言

　　铂电阻温度传感器（RTD）是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度，RTD是最精确和最稳定的温度传感器，它的线性度优于热偶和热敏电阻。但RTD也是最慢和最贵的温度传感器。因此RTD最适合对精度有严格要求，而速度和价格不太关键的应用领域。铂电阻温度传感器具有极佳的可互换性和长期稳定性，广泛应用于气象和环保等部门。但是由于铂电阻温度传感器输出电阻较大，而且其灵敏度约0.24%/℃。本文根据系统需要，目标温度测量范围-40～120℃，设计一款高阻输入、数字化输出的读出电路，主要包括能有效接收温度传感器的输出的微弱电压的高阻输入放大器，放大其幅度以便满足后续的模数转换电路（ADC）的输入范围，然后又ADC转换为数字信号通过标准接口I2C输出给系统。该读出电路的关键参数包括放大器的高阻输入、等效输入噪声、输入失调、增益误差以及整体芯片输出绝对精度[1]等。

　　1 温度传感器读出电路设计

　　1.1 读出电路的系统设计

　　用于惠斯通电桥的温度传感器系统框图如图1所示，整个系统包括基于铂电阻的惠斯通电桥传感器和温度传感器读出电路。温度传感器读出电路主要由SC AMP[2]、ΣΔADC、Filter、I2C、Bandgap和OSC组成。SC AMP将传感器输出的较小的模拟电压放大到ΣΔADC的满幅输入范围，这样有助于最大程度的利用ADC的动态范围。ΣΔADC将模拟量转换为数字量，最后通过I2C输出。OSC为整个电路提供时钟，Bandgap为模拟提供偏置。

　　图1 惠斯通电桥温度传感器系统框图   

　　电桥R1=3.5kΩ，Rt为铂电阻，阻值500Ω，其温度系数0.24%/℃。R0取Rt一样的电阻值，但是其温度系数应该至少比Rpt小一个数量级。在-40～120℃范围内，VRP-VRN取3.3 V，电桥的输出差分幅度137.6039 m V，故电桥的温度灵敏度0.86m V/℃。电路设计采用SMIC 0.18μm混合信号工艺，模拟电源3.3 V。考虑给运放输出级一定的裕量，SC AMP的增益设计为16倍。应用要求温度分辨率0.1℃，那么需要一个14 bit的ADC。由于温度的变化是一个低频信号，而且ADC的位数需要14 bit，设计中采用基于过采样和噪声整形的Sigma Delta Modulator(SDM）来实现ADC。Sigma Delta ADC相比于Nquist ADC对模拟设计的要求降低。SDM的输出需要一个数字滤波器来滤除带外噪声，同时将SDM输出的1 bit数据流转换为16 bit的数字输出，最后通过I2C输出。用户可以通过I2C方便地读取代表温度的数字值。

　　系统设计中最关键的是采用比例测量法，即电桥的驱动电压VRP和VRN和后面的ADC采用同样一对电压，通过分析推导可知，VRP-VRN的变化对ADC的输出无影响，这样大大降低读出电路对外部供电的精度要求。

　　2 读出电路的关键模块设计

　　2.1 SC AMP设计

　　SC AMP的功能是接收传感器的输出模拟电压，然后转换到后续的ADC的满幅输入范围。由于惠斯通电桥的输出电阻较大，大约500Ω。SC Amp的输入电阻就要求时高阻输入，这里采用基于开关电容的放大器来实现高阻输入。由于电桥输出的温度灵敏度为0.86 m V/℃，而应用要求分辨率0.1℃，那么SC Amp的等效输入噪声应该做到86μV以下。由于温度测量是考虑绝对温度，所以SC Amp的offset也应该足够小。offset和noise的总和不能超过86μV。对于offset可以作为低频的noise处理。常见减少低频噪声和offset的技术有Chopper、Autozero和CDS相关双采样，各技术有各自的优缺点。本设计采用Chopper和Autozero结合的方法来降低低频Noise和offset。

　　开关电容放大器SC Amp由运算放大器、开关和电容组成，辅以logic1～logic3组合的时序控制，完成chopper和autozero功能，大大减小运放的失调电压，同时该电路对电容的失配不敏感，减小了整个SC Amp的增益误差。Vip和Vin为差分输入端，接收来自惠斯通电桥的差分信号，放大后的Vop和Von接到sigma delta ADC。采用全差分构架，有利于抑制共模噪声，提高抗干扰能力。

　　2.2 ΣΔADC设计

　　为了将SC Amp输出的差分信号转换为数字信号，本设计采用Sigma Delta Modulator(SDM)[3,4,5]来实现。由于SC Amp提供16X的固定增益，SDM的等效输入噪声折算到惠斯通电桥的输出，要除以16，故SDM的噪声设计指标减轻了很多。本设计采用CIFF构架的SDM实现。为了满足系统温度读出电路响应时间要求，SDM的过采样频率选择400 k Hz。先采用Matlab建模，Matlab模型如图3所示。通过Matlab建模得到各个系数，C1=1/5,C2=1/4,a1=1,a2=3/4。系数的求解考虑了电源电压变化、运放的输出电压摆幅等因素。

　　完成建模仿真后，采用SMIC 0.18μm工艺提供的器件搭建电路，如图4所示，然后通过Spectre仿真验证其实际电路性能。SDM采用Chopper来降低低频噪声和失调电压。由于第二级的噪声和offset会被噪声传递函数一阶整形，所以只需要在第一级采用chopper即可。SDM的开关控制信号采用典型的非重叠时钟信号，choper的时钟采用过采样时钟的1/20，合理地控制两个时钟，可以减少chopper切换对SDM性能的影响。

　　3 验证结果

　　3.1 Sigma Delta ADC信噪比验证

　　本设计采用频域方法来评估所设计的ΣΔADC的性能[6]，通过对实际电路做瞬态仿真，对输出1bit的数字信号做FFT分析，得到信噪比。在对输出信号做FFT分析时，通过增加输入数据点数来提高频谱分析的分辨率，当点数无限大时，任何频率的信号都能分辨出来，同时也可以减小频谱泄漏。同时，借助窗函数，将频谱泄漏限制在一个可接受的范围内。

　　图3 2阶SDM模型  

　　图4 SDM的具体实现 

　　由于温度信号的带宽非常低，在几十Hz范围内。后续的滤波器采样率设置在1 k Hz，那么信号带宽为500 Hz。过采样频率fs=400 k Hz，正弦输入信号的频率fin=18.31 Hz，取N=65536个点做FFT分析，FFT结果表明，SNR达到108 d B，折算为ENOB约18 bit，完全满足系统设计时的14 bit需求。FFT输出频谱图如图5所示。

　　图5 Sigma Delta ADC输出FFT   

　　3.2 整体芯片验证

　　系统应用针对的是-40～120℃范围内的温度测量，采用整个芯片的版图数据后仿，将温度设为变量，用Cadence的ADE XL仿真，共仿161个点。将表征温度的数字量再根据公式折算回温度，并与变量值做差值，可以得到每个温度点下的测量误差，结果如图6所示。可见在高低温的两头，误差相对大一些，但是也没有超过0.1℃。

　　4 结论

　　本文基于铂电阻的惠斯通电桥温度传感器输出信号的特性，设计了一款数字输出的读出电路。运用开关电容放大器采样放大温度传感器的模拟输出，然后利用Sigma Delta ADC和数字滤波器将其转换为16 bit的数字信号，用户可以通过I2C直接读取表征温度信号的数字量得到测试对象的温度，使用简单，集成度高。

　　图6 全温范围内温度误差   

　　参考文献

　　[1] Kamran Souri and Kofi A.A.Makinwa, Energy-Efficient Smart Temperature Sensors in CMOS Technology,Springer International Publishing AG, 2018.

　　[2] Razavi, Behzad, Design of analog CMOS integrated circuits, 2nd edition, Mc Graw-Hill Education, 2017.

　　[3] S.R.Norsworthy,R.Schrier and G.C.Temes. Deltasigma Data Converters:Theory, Design and Simulation.N.Y:IEEE Press,1997.

　　[4] Richard G. Lyons, Understanding Digital Signal Processing Second Edition China Machine Press2005.1.

　　[5] Shanthi Pavan, Richard Schreier and GaborC.Temes,Understanding Delta Sigma Data Converters,2nd edtion,John Wiley&Sons, Inc. 2017.

　　[6] A. Bakker and J. H. Huijsing, Micro-power CMOS temperature sensor with digital output, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 31, no. 7, pp.933-937, July 1996.