本发明通常但不限于集成电路领域，并且特别涉及校准内部集成电路电阻。
背景技术
为了减小电路的尺寸，可以减小电路元件的尺寸以便将电路安装在集成电路上。这可能导致电路的元件值不准确。例如，集成电阻的电阻值可能不像外部电阻的电阻值那样精确，其中电阻可以被更准确地选择用于期望的电路性能。但是，这无法通过集成组件来减小电路尺寸。
技术实现要素：
其中，发明人已经认识到当传感器耦合到传感器集成电路时需要测量和校准内部负载和反馈电阻。
一个例子包括一种使用激励电流来测量目标电阻器的集成电路(ic)电阻值的方法，所述激励电流在到达所述目标电阻器之前经历外部传感器泄漏电流或其他泄漏电流而降低。所述方法包括响应于施加到具有指定校准电阻值的校准电阻器的不同的第一和第二规定激励电压而产生不同的第一和第二激励电流。在所述目标电阻器上测量不同的第一和第二响应电压，分别响应于相应的不同的第一和第二激励电流。使用测量的第一和第二响应电压之间的差值、第一和第二规定激励电压之间的差值、和所述指定校准电阻值来确定所述目标电阻器的集成电路电阻值。
另一个例子包括传感器接口集成电路(ic)，用于使用激励电流来测量目标电阻器的电阻值，所述激励电流经历耦合到所述ic的传感器的外部传感器泄漏电流而降低。所述传感器接口ic包括：电流传感器电路，包括用于感测所述传感器产生的响应电流的至少一个目标电阻器。电阻值测量电路与所述目标电阻器耦合以测量所述目标电阻器的电阻值。所述电阻值测量电路包括电压激励电路，用于将一个或多个规定激励电压施加到具有指定校准电阻值的校准电阻器，以响应地针对每个规定激励电压产生不同的相应激励电流。电压测量电路响应于每个相应的不同激励电流分别测量所述目标电阻器上的不同的相应响应电压。计算电路使用测量的不同的相应响应电压之间的差值、所述一个或多个规定激励电压之间的差值和所述指定校准电阻值来确定所述目标电阻器的电阻值。
又一例子包括用于使用激励电流来测量或校准目标电阻器的电阻值的传感器接口集成电路(ic)，所述激励电流经历耦合到所述ic的传感器的外部传感器泄漏电流而降低。所述传感器接口ic包括电流传感器电路，包括用于感测由所述传感器产生的响应电流的至少一个目标电阻器。电阻值测量或校准电路，耦合到所述目标电阻器以测量或校准所述目标电阻器的电阻值。所述电阻值测量或校准电路包括电流激励电路，通过具有指定校准电阻值的校准电阻器来施加一个或多个指定激励电流。电压测量电路响应于每个相应的不同激励电流分别测量所述目标电阻器上不同的相应响应电压。计算电路使用测量的不同的相应响应电压之间的差值、所述一个或多个规定激励电压之间的差值和所述指定校准电阻值来确定所述目标电阻器的电阻值。
本部分旨在提供本专利申请主题的概述。它并不打算提供对本发明的排他或详尽的解释。包含详细说明以提供更多信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。举例来说，附图通常以举例的方式而非限制性地说明本文件中所讨论的各种实施例。
图1是诸如根据各种实施例的传感器系统的示意图。
图2是诸如根据各种实施例的用于内部电阻校准的传感器系统的操作框图。
图3是诸如根据各种实施例的用于内部集成电路电阻校准的方法的实施例的流程图。
图4是诸如根据各种实施例的可配置r负载和rtia架构的示意图。
图5是例如根据各种实施例的标称操作模式的示例初始配置中的可配置r负载和rtia架构的示意图。
图6是根据各种实施例的可配置的r负载和rtia架构在另一示例配置中用于测量来自图5的实施例的r负载的示意图。
图7是例如根据各种实施例的用于测量图5的r负载+rtia的另一示例配置中的可配置r负载和rtia架构的示意图。
图8是诸如根据各种实施例的用于内部集成电路电阻校准的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
传感器系统可以包括耦合到传感器接口集成电路(ic)的传感器(例如，气体传感器)。传感器不仅可用于检测气体的存在，还可用于检测气体的浓度。传感器可以包含各种类型的传感器，例如光电离、红外、电化学或半导体。
当被监测的气体扩散到传感器中时，电化学传感器通过化学反应检测气体，通过多孔膜的背面到工作电极被氧化或还原。这种电化学反应导致通过外部电路的电流。除了测量、放大和执行其他信号处理功能之外，外部电路还可以保持传感器两端的电压在两电极传感器的工作电极和反电极之间或三电极单元的工作电极和参考电极之间。在反电极处发生相等且相反的反应，使得如果工作电极是氧化物，则反电极是还原。半导体传感器通常用于检测氢气、氧气、酒精蒸气和有害气体，如一氧化碳。
传感器接口ic负责测量传感器电流的变化，以确定被监测气体的存在和浓度。传感器ic然后可以以数字或模拟格式输出被监测气体的存在和浓度的表示以用于显示或一些其他警报手段。
传感器ic包括一个直流(dc)测量电路，用于测量传感器电阻以确定气体的存在和浓度。传感器ic还使用交流(ac)测量电路来测量传感器的阻抗，以监测传感器本身的健康状况。
负载电阻(例如电阻器r负载)和跨阻放大器(tia)电阻(例如电阻器rtia)是dc测量电路的一部分。负载电阻r负载可以用作电流稳定性传感器的负载。tia电阻rtia可用作tia放大器的反馈增益电阻，并将传感器电流转换为电压信号。随后将更详细地描述两个电阻器。
某些传感器ic使用传感器ic外部的负载和tia增益电阻。为了减小传感器电路的尺寸，r负载和rtia可以集成到ic上。集成电阻不如外部电阻精确，因此，需要测量或校准这些电阻中的一个或多个，以尝试实现更高的传感器测量精度。
图1是诸如根据各种实施例的传感器系统的示例的示意图。该系统包括传感器100和传感器ic102。传感器ic102包括dc测量电路108和ac测量电路109。dc测量电路108包括放大器111、放大器增益电阻112、模数转换器(adc)113、r负载电阻器、rtia电阻器101、tia放大器120以及多个开关140-144。
为了清楚和简洁的目的，并未示出或描述传感器ic102的所有组件。仅描述与内部集成电阻校准的结构和操作相关的那些组件。
取决于传感器的类型，传感器100可以包括参考电极(re)\反电极(ce)和传感器电极(se)。例如，传感器ic102可以使用参考电极以在感测操作期间在感测电极处维持固定的电位。反电极如果感测电极正在氧化，则通过还原一些化学物质来完成具有感测电极的电路。随着气体浓度的变化，反电极的电位可以浮动并且变化。只要传感器ic102可以提供足够的电压和电流以将感测电极维持在与参考电极相同的电位，反电极上的电位可能并不重要。传感器100的偏置和测量由多个开关140-144的状态控制。
dc测量电路108耦合到传感器100并且用于测量由传感器100提供的传感器信号。ac测量电路109耦合到传感器100并且被用于通过测量传感器100的阻抗来测量传感器100的健康状况。
adc113被耦合到放大器111并且向具有至少一个增益电阻器112的放大器111的正输入端提供模拟电压。放大器111的输出端耦合到传感器100的反电极以向传感器100提供操作电压。参考电极通过增益电阻112耦合到放大器111的反相(例如，负)输入端。传感器100的感测电极通过负载电阻103耦合到tia放大器120。增益电阻器101用于tia放大器120并具有电阻值rtia。
示出了rtia和r负载电阻101、103集成到传感器ic102中。尽管通过集成tia增益和负载电阻器101、103减小了包括传感器ic和外部电阻器的电路的尺寸，但集成电阻通常不如外部电阻精确，并且应该对传感器和传感器ic的精确操作进行校准。
图2是诸如根据各种实施例的用于内阻校准的传感器系统的操作框图。图2的系统也可以被称为电阻值测量或校准电路。该系统包括电压或电流激励电路200、tia放大器120、校准电阻器211、传感器100、可选开关290、ac测量电路109、r负载电阻器103、rtia电阻器106和具有adc250的计算电路。
为了校准内部电阻rtia和r负载101、103，通过施加由电压激励电路200产生的激励电压，通过具有电阻rcal的外部校准电阻器211产生校准电流ical。在另外的实施方案中，方块200是电流激励电路。校准内部rtia和r负载电阻101、103的问题在于，当传感器100耦合到传感器ic102时，传感器100的传感器电流i传感器降低ical，使得通过电阻器101、103的ix不等于ical。这导致测量电阻器101、103上的电压的误差，并因此确定rtia和r负载电阻值。另外，相对于其他块(例如，ac测量电路109)的相对较小(例如，<0.1％)的泄漏电流i泄漏类似地降低ical。开关不需要与传感器100串联使用，以在校准期间移除传感器，这是由于r负载电阻103的值相对较小(例如0-100ohms(ω))以及开关电阻较高(例如5kω)。本发明人确定了用于校准和测量电阻rcal和r负载101、103的方法，同时传感器100保持连接到传感器ic102。
图3是诸如根据各种实施例的用于内部集成电路电阻校准的方法的实施例的流程图。在讨论图3的方法时，还参考图2的操作框图。图3的方法示出了在校准内部电阻器101、103的电阻时执行的dc测量。
在方框303中，响应施加到校准电阻器211的不同的第一和第二激励电压(vx1和vx2)产生不同的第一和第二激励电流(ical1和ical2)。电压激励电路200产生施加在具有电阻rcal的校准电阻器211上的第一和第二激励电压。仅出于说明的目的，第一激励电压vx1可以是10mv并且第二激励电压vx2可以是20mv。其他实施例可以使用其他电压或多于两个电压。在其他实施例中，代替使用激励电压，可以通过校准电阻器211产生一个或多个激励电流。
校准电阻器211在传感器ic102的外部。rcal的值可以是任何已知的电阻值，因为它用于确定通过校准电阻器211的第一和第二ical电流，其分别由第一和第二激励电压产生。
校准电流ical可以表示为：
ical＝ix+i传感器+i泄漏,
其中ix是通过要校准的一个或多个目标电阻器的电流，i传感器是传感器电流，i泄漏是由传感器ic的其他模块引起的泄漏电流。使用欧姆定律，ical的这个等式也可以表示为：
其中vexc表示跨过rcal的激励电压，vx表示由于相应电流ix而在目标电阻器101、103中的任一个上测量的响应电压，并且rx表示r负载电阻103或rtia电阻101中的一个。rx的电阻值可以表示为：
由于i传感器和i泄漏的值相对较大，因此可以忽略该等式的第一项，从而可以通过以下来完成确定rx：
在图3的框305中，响应于相应的不同的第一和第二激励电流(ix1和ix2)，分别在目标电阻器(rx)上测量不同的第一和第二响应电压(vx1和vx2)。电压测量可以由片上电压测量电路230(例如，adc)进行。电压、电流或电阻测量结果可以输入到计算电路250(例如，包括adc)用于执行这里的计算。通过激励两个或多个电压，可以消除传感器电流和泄漏电流：
ical1＝ix1+i传感器+i泄漏
ical2＝ix2+i传感器+i泄漏
当减去ical1和ical2测量值时：
δical＝δix
因此，从以上可以看出，目标电阻器(rx)的电阻值是通过使用测得的第一和第二响应电压(δvx)之间的差值、第一和第二激励电压(δvexc)或一个或多个激励电流的差值、以及校准电阻值rcal来确定的，如图3的框307所示。然后可使用确定的目标电阻器的集成电阻值，该rx值用于调整目标电阻器的集成电阻值。调整后的电阻值可以用作传感器测量期间的r负载或rtia电阻值。
通常，传感器电流i传感器与气体浓度相关联，并且在进行多个dc测量以确定rx值的时间内不可能改变。但是，在另外的实施方案中，通过执行ac测量可以考虑i传感器中可能的变化。
在ac测量期间，i传感器和i泄漏电流以特定频率消失。具体频率可以通过使用传感器的经验实验或传感器的已知特性来确定。因此，第一和第二激励电压可以包括第一和第二频率。测量电阻r负载和rtia两端的电压。这些电压有两个分量：一个与激励频率相关，另一个与传感器电流相关。但是，不同频率下的能量谱是不同的。因此，可以使用快速傅立叶变换(fft)带通滤波器来提取特定频率下的测量电压。利用已知电压和已知电流，目标电阻器的电阻值可以使用欧姆定律来确定。
在上述实施例中，传感器100在没有开关的情况下连接到传感器接口ic102。在另外的实施方案中，传感器100可以通过可选开关290连接到传感器接口ic102。在该实施例中，可以在任何测量期间将传感器100从耦合到传感器接口ic102的位置移除，以通过打开开关290来确定目标电阻器电阻。
参考图2，可以看出，在校准操作期间，传感器100的ce和re电极是浮动的。传感器100用作具有相对较大电容的电容器。求和节点电压vsum(例如，电压感测节点)的变化可能导致传感器电容放电至传感器ic，从而导致电流作为i传感器流动。如前所述，由于校准r负载或rtia导致的不准确，任何i传感器电流都是不合需要的。因此，由于耦合到具有不同特性的传感器ic的不同传感器，vsum电压不会改变。图4-7所示的实施例可用于校准r负载或rtia，以考虑不同的传感器及其各自的特性。
图4是诸如根据各种实施例的可配置r负载和rtia架构的示意图。该架构是电阻值测量和校准电路的一部分。
该架构包括多个电阻器401-408(例如网络电阻器)和多个开关410-422，以将网络电阻器可开关地耦合到tia放大器120。虽然开关的电阻可能引起问题，如前所述，当放置在r负载或rtia与传感器之间时，当在电阻器和放大器120之间放置开关时不存在这样的问题。开关410-422可以以各种方式实现，例如用晶体管实现，使得当开关闭合，晶体管激活，当开关打开时，晶体管关闭。
网络电阻器分为两组电阻器。第一组电阻器可切换地连接在tia放大器120的反相输入端和传感器之间。第二组电阻器可切换地连接在tia放大器120的输出端和tia放大器120的反相输入端之间。
每个相邻的电阻对通过节点n1-n9连接在一起。至少一个开关耦合到相应节点以及放大器120的反相输入端或放大器120的输出端中的至少一个。例如，开关410、411、413、415、417耦合在它们各自的节点与放大器120的反相输入之间。类似地，开关412、414、416、418-422耦合在它们各自的节点与放大器120的输出端之间。开关由计算电路250的控制输出端控制。
为了保持vsum不变，将r负载设置为零欧姆的电阻，使得vsum节点直接连接到放大器120的反相输入端。然而，在将r负载设置为零欧姆之前，首先应确定rtia，以便建立r负载与rtia之间的适当比例。为了将ical电流信号准确地转换为vx电压信号，需要准确的rtia。这是通过设置开关以如下改变r负载和rtia电阻值来实现的，以便改变第一电阻器组件r负载的电阻值相对于第二电阻部件rtia的电阻值。
图5是例如根据各种实施例的标称操作模式的示例初始配置中的可配置r负载和rtia架构的示意图。图5的配置是通过闭合开关413将r负载设置为某个初始电阻并因此将节点n1和节点n3之间的电阻器401和402连接到放大器120的反相输入端的示例配置。因此，r负载现在是这两个电阻器401、402的总和。通过闭合开关420来设置rtia，使得节点n3和节点n7之间的电阻器的总数是rtia的电阻。r负载和rtia的初始电阻值根据传感器特性和传感器对r负载和rtia的要求确定。
图6是根据各种实施例的可配置的r负载和rtia架构在另一示例配置中用于测量来自图5的实施例的r负载的示意图。该配置绕过r负载(例如，设置为零欧姆)，使得tia放大器120的反相输入直接连接到vsum节点。因此，rtia现在等于r负载的先前阻力值。这是通过闭合开关410以将放大器反相输入端直接连接到vsum节点并闭合开关414以连接节点n1和n3之间的电阻器401和402(作为r负载的先前电阻值的rtia)来实现的。由于新的rtia电阻位于tia放大器120的输出端和反相输入端之间，初始r负载电阻值可以通过测量新rtia两端的差分电压来测量。该电压差是上述等式中的vx。由于vexc和rcal是已知的，现在可以计算电阻rx(r负载)。该阻力暂时设置为rtemp1。
图7是例如根据各种实施例的用于测量图5的r负载+rtia的另一示例配置中的可配置r负载和rtia架构的示意图。现在可以将rtia设置为初始r负载加初始rtia的总电阻。这可以用rtemp2＝r负载+rtia表示。如图7所示，通过闭合开关410以将vsum节点直接连接到放大器120的反相输入端并由此使r负载为零欧姆来旁路r负载，从而完成这一点。开关420闭合，使得rtia连接到放大器120的输出，并且是节点n1和节点n7之间的所有电阻器401-406的总和。现在可以执行测量来测量rtemp2的总电阻。
因此，rtia可以通过从rtemp2中减去rtemp1以从等式中去除r负载来确定。这导致确定rtia。换句话说，rtia＝rtemp2–rtemp1。
图8是诸如根据各种实施例的用于内部集成电路电阻校准的方法的实施例的流程图。在方框801中，r负载和rtia被设置为由传感器特性确定的初始值。在方框803中，r负载被旁路，使得它被设置为零欧姆，从而将新的rtia设置为初始r负载。在方框805中，跨越rtia测量vx，并且基于已知的vexc和rcal，可以从上面的rx方程确定rtemp1(即
以上详细描述包括对形成详细描述的一部分的附图的参考。作为说明，附图示出了可以实践本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。在本文中提到的所有出版物、专利和专利文献通过引用整体并入本文，就如同单独地通过引用并入。如果本文件与通过引用并入的文件之间的用法不一致，则纳入的参考文献中的用法应视为对本文件的补充；对于不可调和的不一致性，按照本文档中的用法进行控制。
在本文件中，如在专利文献中常见的那样，使用术语“一”或“一个”来包括一个或多个、独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法。在本文件中，术语“或”用于表示非排他性的，例如“a或b”包括“a但不是b”、“b但不是a”以及“a和b”，除非另有说明表示。在所附权利要求中，使用术语“包括”和“其中”作为相应术语“包含”和“其中”的等同词。而且，在以下权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，包含除权利要求中的这样的术语之后列出的要素之外的要素的系统、设备、物品或过程仍然被认为属于该权利要求的范围内。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。这里描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。
以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。本领域普通技术人员在查看以上描述时可以使用其他实施例。提供摘要是为了让读者快速确定技术公开的性质。提交时的理解是，它不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。而且，在上面的详细描述中，各种特征可以被组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意图无理要求披露的功能是任何权利要求必不可少的。相反，发明主题可能在于少于特定公开实施例的所有特征。因此，下面的权利要求在此被结合到具体实施方式中，每个权利要求本身作为单独的实施例。本发明的范围应该参考所附权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。