半导体装置、模拟-数字转换方法、车载系统及测量方法
【专利说明】半导体装置、模拟-数字转换方法、车载系统及测量方法
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请基于并要求2014年8月22日提交的日本专利申请第2014-169535号的优先权，该申请的公开通过引用整体合并于此。
技术领域
[0003]本发明涉及半导体装置、模拟-数字转换方法、车载系统及测量方法，并且例如涉及将模拟信号积分以获得数字值的技术。
【背景技术】
[0004]作为将模拟信号转换成数字值的模拟-数字转换存在有双积分型A/D转换。通常，尽管双积分型A/D转换器是与其他类型的转换器相比具有较高精度且更能抵抗噪声的A/D转换器，但是它具有适用于相对慢地改变的信号的测量的特征，因为它需要时间用于A/D转换。因此，例如，在诸如需要高的精度和噪声抵抗能力的引擎控制系统等的车载系统中，执行双积分型A/D转换。在这样的车载系统中，由于车辆是基于诸如引擎的吸排气温度等的测量值来控制，所以测量值的精度影响控制的精度。由于这个原因，车载系统中需要高精度的A/D转换。
[0005]例如在日本未经审查的专利申请公开第1993-83135号和日本未经审查的专利申请公开第1991-23719号中公开了双积分型A/D转换器。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提高模拟-数字转换的精度。
[0007]其他问题和新的特征将从本说明书和附图的描述中显而易见。
[0008]根据一个实施例，半导体装置对被确定用于将模拟信号积分的第一积分时间和从第一基准电压的积分开始到积分器的输出达到第二基准电压的第二积分时间进行计数，并且基于所计数的第二积分时间来更新第一积分时间。
[0009]根据上述一个实施例，可以提高模拟-数字转换的精度。
【附图说明】
[0010]以上和其他方面、优点及特征将从结合附图进行的某些实施例的下面的描述中更加显而易见，其中:
[0011]图1是示出根据实施例1的半导体装置的配置的电路图；
[0012]图2是示出根据实施例1的半导体装置的操作的时间图；
[0013]图3是示出根据实施例1的半导体装置中的在针对模拟信号的每个电势的积分时间的差异的图；
[0014]图4A是示出A/D转换器的转换误差的图，并且示出了根据比较例的半导体装置的转换误差；
[0015]图4B是示出A/D转换器的转换误差的图，并且示出了根据实施例1的半导体装置的转换误差；
[0016]图5是示出其中已经安装了根据实施例2的车载系统的车辆的配置的示意图；
[0017]图6是示出根据实施例2的车载系统的配置的概要的框图；
[0018]图7是示出根据实施例2的车载系统的详细配置的框图；
[0019]图8是示出根据实施例3的半导体装置的配置的电路图；
[0020]图9是示出根据实施例3的半导体装置的第N次转换时的操作的时间图；
[0021]图10是示出根据实施例3的半导体装置中的对于模拟信号的每个电势的积分时间的差异的图；
[0022]图11是示出根据实施例4的车载系统的详细配置的框图；
[0023]图12是示出由根据实施例4的传感器I/F单元执行的A/D转换的时间图；
[0024]图13是示出根据比较例的半导体装置的配置的电路图；
[0025]图14是示出根据比较例的半导体装置中的积分器的积分输出的时间推移的图；以及
[0026]图15是示出模拟信号的幅度与转换所需的时间之间的关系的图。
【具体实施方式】
[0027]<事先检查>
[0028]在说明实施例之前，将说明由本发明人事先进行的检查内容。
[0029]〈比较例的配置的说明〉
[0030]图13是示出根据比较例的半导体装置9的配置的电路图。半导体装置9是如下双积分型A/D转换器，其具有:开关10和11 ;积分器12 ;比较器13 ;计数器电路14 ;计算电路15 ;和控制电路16。
[0031 ] 开关10和11对积分器12的输入进行切换。具体地，开关10对是否将模拟信号Van输入至积分器12进行切换，并且开关11对是否将作为预定电压的积分基准电压Vref (第一基准电压)输入至积分器12进行切换。开关10和11根据通过控制电路16进行的控制来操作。
[0032]积分器12被配置成包括:电阻器R ;电容器C ;和运算放大器120。积分器12是将通过开关10和11进行切换的输入积分的电路。积分器12将积分输出Vo输出至比较器
13。积分器12根据开关10和11通过将在后面提到的控制电路16的控制在将模拟信号积分之后重复将积分基准电压Vref积分。
[0033]比较器13将积分器12的积分输出Vo与比较基准电压(第二基准电压)进行比较，并且检测积分输出Vo是否是比较基准电压(0V)。当积分器12的积分输出Vo是比较基准电压时，比较器13将检测信号输出至计数器电路14。
[0034]计数器电路14对被确定用于使积分器12将模拟信号积分的时间T1 (第一积分时间)进行计数，并且将信号输出至控制电路16。另外，计数器电路14对从积分基准电压Vref的通过积分器12的积分开始到比较器13检测到积分器12的积分输出Vo达到比较基准电压的时间T2 (第二积分时间)进行计数，并且将信号输出至控制电路16和计算电路
15。在下文中，上述第一积分时间被称作时间T1，并且上述第二积分时间被称作时间T2。
[0035]控制电路16基于计数器电路14的输出而对开关10和11进行控制。具体地，控制器16首先对开关10进行控制使得模拟信号Van侧变成0N(闭合)，并且随后，将开关10保持为0N直到计数器电路14记录下时间T1。如上所述，在计数器电路14对时间T1进行计数时，控制电路16对开关10和11进行控制使得模拟信号Van被输入至积分器12。当由计数器电路14计数出对时间T1时，控制电路16对开关10进行控制使得模拟信号Van侧变成OFF (断开)，并且对开关11进行控制使得积分基准电压Vref侧变成0N。此外，当计数器电路14记录下时间T2时，控制电路16将开关11控制成断开。
[0036]计算电路15是基于由计数器电路14记录下的时间T1和时间T2来计算模拟信号的数字值的电路。由计算电路15进行的计算的内容将在后面提到。
[0037]半导体装置9首先根据上述配置将在时间T1期间采样的模拟信号Van对时间T1进行积分，并接下来将预定积分基准电压Vref对时间T2进行积分。在如上所述的方式中，半导体装置9通过两次积分将模拟信号Van数值化，并作为A/D转换结果输出模拟信号Van的电势。
[0038]<比较例的操作的说明>
[0039]在这里，将说明半导体装置9的操作。图14是示出根据比较例的半导体装置9中的积分器12的积分输出Vo的时间推移的图。当模拟信号Van被输入至积分器12时，积分器12的积分输出Vo如下面的公式(1)所示与积分时间t 一起增加。请注意，参考字符CR表示时间常数。
[0040]Vo = (Van/CR)t...(1)
[0041]因此，在消逝了时间T1时的积分输出Vo通过下面的公式(2)来表达。
[0042]Vo = (Van/CR)T1 …(2)
[0043]当消逝了时间T1时，控制电路16断开开关10，并且接通开关11。作为其结果，积分基准电压Vref被输入至积分器12。当由积分器12开始对积分基准电压Vref的积分时，积分输出Vo与积分时间t成比例地减小。此时，积分输出Vo的改变的斜率由积分基准电压Vref和时间常数CR确定，而不管输入模拟信号Van的幅度如何。具体地，积分输出Vo的改变的斜率是Vref/CR。另外，当积分器12的积分输出Vo变成比较基准电压(0V)时，比较器13将检测信号输出至计数器电路14。
[0044]计数器电路14基于比较器13的检测信号，将积分基准电压Vref侧的开关变成0N之后到积分输出Vo达到比较基准电压(0V)所计数的时间T2输出至计算电路15。
[0045]在这里，在消逝了时间T2时的积分输出Vo满足由下面的公式(3)示出的关系。
[0046]Vo = (Van/CR) X T1+(Vref/CR) XT2 = 0…(3)
[0047]因此，计算电路15输出通过下面的公式⑷示出的计算所计算出的模拟信号Van
的A/D转换结果。
[0048]Van = - VrefX (T2/T1)…(4)
[0049]另外，当公式(4)被变形时，获得下面的公式(5)
[0050]T2 = (Van/ ( - Vref)) XT1 …(5)
[0051]在这里，由于积分基准电压Vref和时间T1是恒定的，所以结果是时间T2取决于Van。S卩，虽然不管模拟信号Van的电势如何时间T1都是恒定的，但时间T2取决于模拟信号Van的电势而不同。具体地，如图15所示，模拟信号Van的电势越高，转换所需的时间(T1+T2)变得越长，而模拟信号Van的电势越低，转换所需的时间(T1+T2)变得越短。请注意，在图15中，横轴表不积分时间t并且纵轴表不积分输出Vo。另外，虚线表不当最大电势的模拟信号Van被输入至积分器12时的积分输出，实线表不当最小电势的模拟信号Van被输入至积分器12时的积分输出，并且点划线表示当最大电势与最小电势之间的电势的模拟信号Van被输入至积分器12时的积分输出。
[0052]由于时间T1和T2由计数器电路14采样，所以时间T1和T2的分辨率取决于操作计数器电路14的时钟的频率。由于这个原因，时间T1和T2的分辨率被表示为时钟的数量。因此，由于时间T1和T2的分辨率可以通过增加在半导体装置9中对时间T1和T2采样的时钟的数量来增加，所以有可能从上述公式(4)的计算结果以高精度来计算模拟信号Van。
[0053]〈检查内容说明〉
[0054]本发明人检查了作为用于增加对时间T1和T2进行采样的时钟的数量的方法的接下来的两种方法。第一种方法是用于通过增加对时间T1和T2进行采样的时钟的频率来增加时间T1和T2的分辨率的方法。然而，在该情况中，存在着功率消耗与增加时钟频率相关联地增加的问题。第二种方法是用于通过延长时间T1和T2来增加对时间T1和T2进行采样的时钟的数量的方法。然而，在该方法的情况中，例如就在预定周期内结束用于一个转换的积分已经被标准化为产品规格的A/D转换器等而言，由于不能保证在预定周期内结束转换，所以存在着时间T1和T2不能被简单地延长的问题。
[0055]在下文中，将参照附图来说明实施例。请注意，由于附图被简化，所以实施例的技术范围不可基于这些附图的描述被狭义地解释。另外，相同的附图标记被附于相同的元件，并且将省略重复描述。
[0056]<实施例1>
[0057]图1是示出根据实施例1的半导体装置1的配置的电路图。半导体装置1是如下的双积分型A/D转换器，其具有:开关10和11 ;积分器12 ;比较器13 ;计数器电路14 ;计算电路15 ;控制电路16 ;积分时间更新电路17 ;和存储电路18。
[0058]如上所述，半导体装置1与根据比较例的半导体装置9的不同点在于:除了根据比较例的半导体装置9的各配置以外，将积分时间更新电路17和存储电路18添加至以前的器件。尽管在实施例中，说明