CMOS溫度傳感器校準(zhǔn)算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：理想CMOS溫度傳感器輸出隨溫度變化曲線具有嚴(yán)格線性關(guān)系，實(shí)際上由于制造工藝隨溫度變化等非理想因素的影響，輸出隨溫度變化呈非線性關(guān)系。結(jié)合低成本的要求，在高精度的應(yīng)用中需對傳感器進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)，使校準(zhǔn)后輸出量隨溫度變化具有線性關(guān)系。通過對未校準(zhǔn)之前CMOS溫度傳感器隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系構(gòu)造校準(zhǔn)函數(shù)是算法的核心。通過分析精度指標(biāo)、數(shù)據(jù)運(yùn)算量及系統(tǒng)資源等因素，采取添加中值濾波和均值濾波處理原始數(shù)據(jù)的分段擬合校準(zhǔn)方法，并在運(yùn)算量的約束下得出了最優(yōu)的分段值。經(jīng)實(shí)際測試校準(zhǔn)后CMOS溫度傳感器精度提高了0.3℃，在-20℃~120℃工業(yè)溫度范圍內(nèi)精度達(dá)到 0.35℃。

　　引言

　　溫度在日常生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中是一個(gè)非常重要的測試物理量。對溫度的測量，早期主要是采用模擬傳感器，如熱敏電阻、鉑電阻等，但這些傳感器難以集成。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，CMOS溫度傳感器越來越被重視。CMOS溫度傳感器是基于襯底寄生的PNP晶體管的特性而形成的溫度傳感電路，以其良好的線性度、功耗低、易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成等特點(diǎn)，擁有廣泛的應(yīng)用前景。

　　本文針對一款自行設(shè)計(jì)的低功耗CMOS溫度傳感器，根據(jù)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場景對精度的更高要求，提出了一種高精度的校準(zhǔn)算法。該算法通過對CMOS溫度傳感器的數(shù)字輸出值進(jìn)行中值濾波和均值濾波，再對濾波結(jié)果進(jìn)行分段擬合數(shù)據(jù)處理。最終測試結(jié)果表明，該算法提高了CMOS溫度計(jì)的精度，達(dá)到了 0.35℃，滿足事先預(yù)期的 0.5℃的目標(biāo)。

　　CMOS溫度傳感器的測溫原理與實(shí)現(xiàn)方案

　　CMOS溫度傳感器總體結(jié)構(gòu)

　　CMOS溫度傳感器是以基于CMOS縱向寄生的雙極型晶體管作為核心感溫器件。通過雙極型晶體管可以產(chǎn)生一個(gè)與溫度成正比的PTAT電壓和一個(gè)不隨溫度變化的基準(zhǔn)電壓 ，將這兩個(gè)信號作為兩路信號輸入到ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可以實(shí)現(xiàn)溫度的數(shù)字顯示，如圖1所示。根據(jù)預(yù)定的溫度計(jì)精度目標(biāo)要求，確定ADC輸出為12位，采用并行輸出方式，供片外數(shù)字采集校準(zhǔn)。