摘要：MAX1464是一款高性能數字信號調理器，包括一個內部溫度傳感器，該傳感器可用來校正與溫度相關的信號，或作為一個性能可與業界領先的溫度傳感器相媲美的獨立溫度計。本應用筆記介紹了MAX1464的片上溫度傳感器，并給出了欲獲得接近測試系統重復性的溫度讀數時建議采用的方法。

引言

MAX1464是一款高性能數字信號調理器，帶片上溫度傳感器，在-40°C至+125°C的工作溫度范圍內輸出分辨率近似為+2mV/°C。內置的16位ADC以類似于轉換傳感器輸入的方式，對內部溫度傳感器輸出進行轉換。對溫度傳感器輸出進行轉換時，ADC (ADC_T對應溫度傳感器輸出)自動采用四倍的內部帶隙電壓4 x 1.25V = 5V)作為ADC_T基準電壓。溫度數據格式是15位數據加符號位的二進制補碼形式。為提高溫度分辨率，可對MAX1464的Coarse Offset (CO) DAC進行編程以實現溫度傳感器輸出的失調調零，并且可設置PGA增益來放大溫度傳感器輸出。內部CPU可用來提供額外的數字式增益和失調校正。

與先前推出的產品MAX1463相比，MAX1464大大改進了片上溫度傳感器的比例誤差(或電源抑制比，PSRR)。本應用筆記對MAX1464的PSRR進行量化，并且給出一個可將該誤差進一步減小75%的簡單公式。

計算溫度傳感器輸出

表1給出了MAX1464分別在4.5V、5.0V和5.5V VDD電源下的歸一化溫度傳感器輸出(采用50個樣本的測試結果)，器件內部設置為：COT[3:0] = 1101，PGAT[4:0] = 00001 (PGA增益 = 7.7)。(更高的PGA增益將導致ADC飽和，從而使輸出結果無效。) 如表1所示，在-40°C至+125°C溫度范圍內，VDD = 5V時ADC_T輸出范圍的歸一化ADC結果為0.4830 (約16,000個ADC計數)。因此，我們分析時用0.4830作為溫度傳感器的滿量程輸出，用滿量程百分比(% fs)來表示溫度傳感器的誤差。在實際應用中，可以使用MAX1464的內部CPU為溫度傳感器輸出提供額外的數字式增益和失調校準，從而獲得經過校準的溫度輸出。應用筆記：MAX1464 Signal-Conditioner, Sensor Compensation Algorithm，演示了CPU的這種用途。

表1. MAX1464的歸一化ADC讀數

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來轉換VDD時，MAX1464自動提供0.7的增益。
2- 讀VDD時，只有當PGA[4:0] = 00000時結果才有效。更高的增益設置將導致ADC飽和。

PSRR的計算及優化

MAX1464的片上溫度傳感器最初僅用于傳感器補償。出于這個目的，絕對精度對最終產品而言就顯得無關緊要。然而，溫度傳感器的重復性和比例誤差對最終產品的性能影響重大。MAX1464的片上溫度傳感器具有極佳的重復性。-40°C至+125°C范圍內100個離散溫度點讀數的最大標準偏差僅為2.5個ADC計數或0.016% fs。由此看來，MAX1464的重復性比市場上大多數性能出色的溫度傳感器還好。

MAX1464還具有極低的比例誤差。根據表1中給出的數據，圖1表示最大比例誤差為0.64% fs，并且出現在VDD = 4.5V和T = +125°C時。對于總體誤差率為1%的器件，該比例誤差造成的影響僅占0.0064% (0.64% x 1% = 0.0064%)。


圖1. MAX1464溫度傳感器的典型比例誤差，該誤差是溫度和電源電壓的函數。

盡管比例誤差很小，仍然能進行校正以改善性能。

圖1的誤差曲線表明，VDD為4.5V和5.5V時，+70°C對應比例誤差曲線的中點。在中點(+70°C)附近簡單地移動一下誤差曲線，就可顯著地減小誤差。

式1是+70°C時的比例誤差函數。

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

從每個ADC_T讀數中減去該誤差函數可以消除+70°C時的誤差，并使誤差曲線以0%線為中心。圖2繪出了表1中的讀數減去式1后的結果。這一簡單的校正方法將本身已經較小的內部溫度傳感器的比例誤差減少了75%，即從0.64%減為0.15%。


圖2. 進行單點溫度校正后，MAX1464溫度傳感器的典型比例誤差。

在那些需要更好的比例性能的應用中，必須在多個溫度點標定溫度傳感器的特性，并且式1必須被進一步擴展為溫度的函數。此時應注意，一般來說比例誤差與設計和工藝過程有關；同一類型的所有器件其比例誤差曲線通常具有相似的形狀和大小。因此，用戶可以定義一個函數來描述具有代表性的一組樣本的比例誤差，并將該函數推廣運用到整個產品系列。無論需要單點溫度校正還是多點溫度校正，僅需要在產品開發階段計算一次。然后將得到的公式整合到補償算法中。

式1是根據實際數據得出的，因此它可以作為設計起點，并可根據需要修改/擴展。實施多點補償時，可減小比例誤差以接近測試系統/MAX1464/傳感器的重復性。

MAX1464作為溫度計

片上溫度傳感器為傳感器補償而設計。但是，如果對MAX1464的溫度傳感器進行校準，它可用作溫度計來監測器件的準確溫度。雖然相似器件的比例誤差僅校準一次，但是每個器件必須單獨校準以實現更高的精度。這是因為不同器件的ADC_T輸入信號分量(溫度傳感器失調、溫度傳感器靈敏度以及CO DAC輸出)差異極大。

溫度傳感器的精度受到用戶所進行的校準級別的影響。一般來說，通過對溫度傳感器進行多點溫度校準，并在ADC_T讀數中整合特性函數，用戶可以獲得高于市場上大多數性能出色的溫度傳感器的精度。通常，只在兩個溫度點校準溫度傳感器可獲得±2°C的精度(圖3)。當對各ADC_T讀數執行溫度傳感器校正時，該過程僅使總的補償過程增加幾毫秒，使MAX1464的信號環路處理增加幾微秒。


圖3. 校準ADC_T讀數后MAX1464的溫度誤差，(PGAT[4:0] = 00001; COT[3:0] = 1101)。

由于MAX1464的架構整合了溫度傳感器輸出和粗調-失調DAC輸出以生成ADC_T輸入，不校準各個溫度傳感器不可能獲得溫度精度。不用說，溫度傳感器用于正常的傳感器信號補償時不需要校準。