MAX1464的片上温度传感器

摘要：MAX1464是一款高性能数字信号调理器，包括一个内部温度传感器，该传感器可用来校正与温度相关的信号，或作为一个性能可与业界领先的温度传感器相媲美的独立温度计。本应用笔记介绍了MAX1464的片上温度传感器，并给出了欲获得接近测试系统重复性的温度读数时建议采用的方法。

引言 MAX1464是一款高性能数字信号调理器，带片上温度传感器，在-40°C至+125°C的工作温度范围内输出分辨率近似为+2mV/°C。内置的16位ADC以类似于转换传感器输入的方式，对内部温度传感器输出进行转换。对温度传感器输出进行转换时，ADC (ADC_T对应温度传感器输出)自动采用四倍的内部带隙电压4 x 1.25V = 5V)作为ADC_T基准电压。温度数据格式是15位数据加符号位的二进制补码形式。为提高温度分辨率，可对MAX1464的Coarse Offset (CO) DAC进行编程以实现温度传感器输出的失调调零，并且可设置PGA增益来放大温度传感器输出。内部CPU可用来提供额外的数字式增益和失调校正。

与先前推出的产品MAX1463相比，MAX1464大大改进了片上温度传感器的比例误差(或电源抑制比，PSRR)。本应用笔记对MAX1464的PSRR进行量化，并且给出一个可将该误差进一步减小75%的简单公式。 计算温度传感器输出 表1给出了MAX1464分别在4.5V、5.0V和5.5V VDD电源下的归一化温度传感器输出(采用50个样本的测试结果)，器件内部设置为：COT[3:0] = 1101，PGAT[4:0] = 00001 (PGA增益 = 7.7)。(更高的PGA增益将导致ADC饱和，从而使输出结果无效。) 如表1所示，在-40°C至+125°C温度范围内，VDD = 5V时ADC_T输出范围的归一化ADC结果为0.4830 (约16,000个ADC计数)。因此，我们分析时用0.4830作为温度传感器的满量程输出，用满量程百分比(% fs)来表示温度传感器的误差。在实际应用中，可以使用MAX1464的内部CPU为温度传感器输出提供额外的数字式增益和失调校准，从而获得经过校准的温度输出。应用笔记：MAX1464 Signal-CondiTIoner, Sensor CompensaTIon Algorithm，演示了CPU的这种用途。

表1. MAX1464的归一化ADC读数 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来转换VDD时，MAX1464自动提供0.7的增益。
2- 读VDD时，只有当PGA[4:0] = 00000时结果才有效。更高的增益设置将导致ADC饱和。 PSRR的计算及优化 MAX1464的片上温度传感器最初仅用于传感器补偿。出于这个目的，绝对精度对最终产品而言就显得无关紧要。然而，温度传感器的重复性和比例误差对最终产品的性能影响重大。MAX1464的片上温度传感器具有极佳的重复性。-40°C至+125°C范围内100个离散温度点读数的最大标准偏差仅为2.5个ADC计数或0.016% fs。由此看来，MAX1464的重复性比市场上大多数性能出色的温度传感器还好。

MAX1464还具有极低的比例误差。根据表1中给出的数据，图1表示最大比例误差为0.64% fs，并且出现在VDD = 4.5V和T = +125°C时。对于总体误差率为1%的器件，该比例误差造成的影响仅占0.0064% (0.64% x 1% = 0.0064%)。


图1. MAX1464温度传感器的典型比例误差，该误差是温度和电源电压的函数。

尽管比例误差很小，仍然能进行校正以改善性能。

图1的误差曲线表明，VDD为4.5V和5.5V时，+70°C对应比例误差曲线的中点。在中点(+70°C)附近简单地移动一下误差曲线，就可显著地减小误差。

式1是+70°C时的比例误差函数。

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

从每个ADC_T读数中减去该误差函数可以消除+70°C时的误差，并使误差曲线以0%线为中心。图2绘出了表1中的读数减去式1后的结果。这一简单的校正方法将本身已经较小的内部温度传感器的比例误差减少了75%，即从0.64%减为0.15%。


图2. 进行单点温度校正后，MAX1464温度传感器的典型比例误差。

在那些需要更好的比例性能的应用中，必须在多个温度点标定温度传感器的特性，并且式1必须被进一步扩展为温度的函数。此时应注意，一般来说比例误差与设计和工艺过程有关；同一类型的所有器件其比例误差曲线通常具有相似的形状和大小。因此，用户可以定义一个函数来描述具有代表性的一组样本的比例误差，并将该函数推广运用到整个产品系列。无论需要单点温度校正还是多点温度校正，仅需要在产品开发阶段计算一次。然后将得到的公式整合到补偿算法中。

式1是根据实际数据得出的，因此它可以作为设计起点，并可根据需要修改/扩展。实施多点补偿时，可减小比例误差以接近测试系统/MAX1464/传感器的重复性。 MAX1464作为温度计 片上温度传感器为传感器补偿而设计。但是，如果对MAX1464的温度传感器进行校准，它可用作温度计来监测器件的准确温度。虽然相似器件的比例误差仅校准一次，但是每个器件必须单独校准以实现更高的精度。这是因为不同器件的ADC_T输入信号分量(温度传感器失调、温度传感器灵敏度以及CO DAC输出)差异极大。

温度传感器的精度受到用户所进行的校准级别的影响。一般来说，通过对温度传感器进行多点温度校准，并在ADC_T读数中整合特性函数，用户可以获得高于市场上大多数性能出色的温度传感器的精度。通常，只在两个温度点校准温度传感器可获得±2°C的精度(图3)。当对各ADC_T读数执行温度传感器校正时，该过程仅使总的补偿过程增加几毫秒，使MAX1464的信号环路处理增加几微秒。


图3. 校准ADC_T读数后MAX1464的温度误差，(PGAT[4:0] = 00001; COT[3:0] = 1101)。

由于MAX1464的架构整合了温度传感器输出和粗调-失调DAC输出以生成ADC_T输入，不校准各个温度传感器不可能获得温度精度。不用说，温度传感器用于正常的传感器信号补偿时不需要校准。

参考文献

1. MAX1464数据资料
2. 应用笔记, MAX1464 Signal-CondiTIoner, Sensor CompensaTIon Algorithm