一种sigma-delta调制器结构的温度信号转换电路

李青龙 徐勇

陆军工程大学，江苏南京 210007

0 前言

在工商业、医疗业以及日常生活等各领域，几乎都不可避免地需要获知温度信息，因此温度传感器的使用相当普遍且重要。随着科技的进步和物联网的发展，微型化、低功耗以及多功能的CMOS集成温度传感器得到广泛应用[1]。

温度传感器中常采用模数转换器（analog to digital converter，ADC）将温度的模拟量转换为数字量。主流ADC架构有并行、折叠型、流水线、逐次逼近和过采样，其特点如表1所示。

表1 各类型ADC特点

在 这 些ADC中，Σ-Δ ADC（sigma-delta ADC）具有慢速和高精度的特点[2]，而温度变化慢，近似直流，使Σ-Δ ADC适合于温度信号的高精度转换。此外，Σ-Δ调制器的开关电容积分器兼具采样和保持功能，这样就无需额外设置采样保持模块，从而可简化电路，因此在温度传感器中采用Σ-Δ ADC是较佳的方案。CMOS工艺常采用衬底寄生三极管作为感温器件，可将三极管基射极电压差ΔVBE和零温度系数的参考电压VREF一并送入Σ-Δ ADC，获得一个体现温度高低的比例系数μ[3]，即：

其中，α——ΔVBE的放大系数；

VBE——三极管基射极电压；

VPTAT——正温度系数电压。

后级电路对μ进行线性运算即可得到摄氏温度值，从而实现温度信号转换。

1 Σ-Δ调制器架构

Σ-Δ ADC主要包括前置抗混叠滤波器、Σ-Δ调制器以及抽样滤波器[4]。由于温度近似直流，ADC的过采样率高，可省略前置抗混叠滤波器，而抽样滤波器可由数字计数器实现，因此ADC的关键模拟器件就是Σ-Δ调制器。多阶调制器常会带来稳定性问题，本文采用了一阶Σ-Δ调制器结构，其框架如图1所示。

将VPTAT和-VREF作为调制器的接入信号，可获得式（1）中的μ值，图2给出了Σ-Δ调制器工作的时域波形。……