半導(dǎo)體裝置、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換方法、車載系統(tǒng)及測量方法
【專利說明】半導(dǎo)體裝置、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換方法、車載系統(tǒng)及測量方法
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請基于并要求2014年8月22日提交的日本專利申請第2014-169535號的優(yōu)先權(quán)，該申請的公開通過引用整體合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換方法、車載系統(tǒng)及測量方法，并且例如涉及將模擬信號積分以獲得數(shù)字值的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004]作為將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換存在有雙積分型A/D轉(zhuǎn)換。通常，盡管雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是與其他類型的轉(zhuǎn)換器相比具有較高精度且更能抵抗噪聲的A/D轉(zhuǎn)換器，但是它具有適用于相對慢地改變的信號的測量的特征，因為它需要時間用于A/D轉(zhuǎn)換。因此，例如，在諸如需要高的精度和噪聲抵抗能力的引擎控制系統(tǒng)等的車載系統(tǒng)中，執(zhí)行雙積分型A/D轉(zhuǎn)換。在這樣的車載系統(tǒng)中，由于車輛是基于諸如引擎的吸排氣溫度等的測量值來控制，所以測量值的精度影響控制的精度。由于這個原因，車載系統(tǒng)中需要高精度的A/D轉(zhuǎn)換。
[0005]例如在日本未經(jīng)審查的專利申請公開第1993-83135號和日本未經(jīng)審查的專利申請公開第1991-23719號中公開了雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提高模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度。
[0007]其他問題和新的特征將從本說明書和附圖的描述中顯而易見。
[0008]根據(jù)一個實施例，半導(dǎo)體裝置對被確定用于將模擬信號積分的第一積分時間和從第一基準(zhǔn)電壓的積分開始到積分器的輸出達到第二基準(zhǔn)電壓的第二積分時間進行計數(shù)，并且基于所計數(shù)的第二積分時間來更新第一積分時間。
[0009]根據(jù)上述一個實施例，可以提高模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度。
【附圖說明】
[0010]以上和其他方面、優(yōu)點及特征將從結(jié)合附圖進行的某些實施例的下面的描述中更加顯而易見，其中:
[0011]圖1是示出根據(jù)實施例1的半導(dǎo)體裝置的配置的電路圖；
[0012]圖2是示出根據(jù)實施例1的半導(dǎo)體裝置的操作的時間圖；
[0013]圖3是示出根據(jù)實施例1的半導(dǎo)體裝置中的在針對模擬信號的每個電勢的積分時間的差異的圖；
[0014]圖4A是示出A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差的圖，并且示出了根據(jù)比較例的半導(dǎo)體裝置的轉(zhuǎn)換誤差；
[0015]圖4B是示出A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差的圖，并且示出了根據(jù)實施例1的半導(dǎo)體裝置的轉(zhuǎn)換誤差；
[0016]圖5是示出其中已經(jīng)安裝了根據(jù)實施例2的車載系統(tǒng)的車輛的配置的示意圖；
[0017]圖6是示出根據(jù)實施例2的車載系統(tǒng)的配置的概要的框圖；
[0018]圖7是示出根據(jù)實施例2的車載系統(tǒng)的詳細(xì)配置的框圖；
[0019]圖8是示出根據(jù)實施例3的半導(dǎo)體裝置的配置的電路圖；
[0020]圖9是示出根據(jù)實施例3的半導(dǎo)體裝置的第N次轉(zhuǎn)換時的操作的時間圖；
[0021]圖10是示出根據(jù)實施例3的半導(dǎo)體裝置中的對于模擬信號的每個電勢的積分時間的差異的圖；
[0022]圖11是示出根據(jù)實施例4的車載系統(tǒng)的詳細(xì)配置的框圖；
[0023]圖12是示出由根據(jù)實施例4的傳感器I/F單元執(zhí)行的A/D轉(zhuǎn)換的時間圖；
[0024]圖13是示出根據(jù)比較例的半導(dǎo)體裝置的配置的電路圖；
[0025]圖14是示出根據(jù)比較例的半導(dǎo)體裝置中的積分器的積分輸出的時間推移的圖；以及
[0026]圖15是示出模擬信號的幅度與轉(zhuǎn)換所需的時間之間的關(guān)系的圖。
【具體實施方式】
[0027]<事先檢查>
[0028]在說明實施例之前，將說明由本發(fā)明人事先進行的檢查內(nèi)容。
[0029]〈比較例的配置的說明〉
[0030]圖13是示出根據(jù)比較例的半導(dǎo)體裝置9的配置的電路圖。半導(dǎo)體裝置9是如下雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，其具有:開關(guān)10和11 ;積分器12 ;比較器13 ;計數(shù)器電路14 ;計算電路15 ;和控制電路16。
[0031 ] 開關(guān)10和11對積分器12的輸入進行切換。具體地，開關(guān)10對是否將模擬信號Van輸入至積分器12進行切換，并且開關(guān)11對是否將作為預(yù)定電壓的積分基準(zhǔn)電壓Vref (第一基準(zhǔn)電壓)輸入至積分器12進行切換。開關(guān)10和11根據(jù)通過控制電路16進行的控制來操作。
[0032]積分器12被配置成包括:電阻器R ;電容器C ;和運算放大器120。積分器12是將通過開關(guān)10和11進行切換的輸入積分的電路。積分器12將積分輸出Vo輸出至比較器
13。積分器12根據(jù)開關(guān)10和11通過將在后面提到的控制電路16的控制在將模擬信號積分之后重復(fù)將積分基準(zhǔn)電壓Vref積分。
[0033]比較器13將積分器12的積分輸出Vo與比較基準(zhǔn)電壓(第二基準(zhǔn)電壓)進行比較，并且檢測積分輸出Vo是否是比較基準(zhǔn)電壓(0V)。當(dāng)積分器12的積分輸出Vo是比較基準(zhǔn)電壓時，比較器13將檢測信號輸出至計數(shù)器電路14。
[0034]計數(shù)器電路14對被確定用于使積分器12將模擬信號積分的時間T1 (第一積分時間)進行計數(shù)，并且將信號輸出至控制電路16。另外，計數(shù)器電路14對從積分基準(zhǔn)電壓Vref的通過積分器12的積分開始到比較器13檢測到積分器12的積分輸出Vo達到比較基準(zhǔn)電壓的時間T2 (第二積分時間)進行計數(shù)，并且將信號輸出至控制電路16和計算電路
15。在下文中，上述第一積分時間被稱作時間T1，并且上述第二積分時間被稱作時間T2。
[0035]控制電路16基于計數(shù)器電路14的輸出而對開關(guān)10和11進行控制。具體地，控制器16首先對開關(guān)10進行控制使得模擬信號Van側(cè)變成0N(閉合)，并且隨后，將開關(guān)10保持為0N直到計數(shù)器電路14記錄下時間T1。如上所述，在計數(shù)器電路14對時間T1進行計數(shù)時，控制電路16對開關(guān)10和11進行控制使得模擬信號Van被輸入至積分器12。當(dāng)由計數(shù)器電路14計數(shù)出對時間T1時，控制電路16對開關(guān)10進行控制使得模擬信號Van側(cè)變成OFF (斷開)，并且對開關(guān)11進行控制使得積分基準(zhǔn)電壓Vref側(cè)變成0N。此外，當(dāng)計數(shù)器電路14記錄下時間T2時，控制電路16將開關(guān)11控制成斷開。
[0036]計算電路15是基于由計數(shù)器電路14記錄下的時間T1和時間T2來計算模擬信號的數(shù)字值的電路。由計算電路15進行的計算的內(nèi)容將在后面提到。
[0037]半導(dǎo)體裝置9首先根據(jù)上述配置將在時間T1期間采樣的模擬信號Van對時間T1進行積分，并接下來將預(yù)定積分基準(zhǔn)電壓Vref對時間T2進行積分。在如上所述的方式中，半導(dǎo)體裝置9通過兩次積分將模擬信號Van數(shù)值化，并作為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出模擬信號Van的電勢。
[0038]<比較例的操作的說明>
[0039]在這里，將說明半導(dǎo)體裝置9的操作。圖14是示出根據(jù)比較例的半導(dǎo)體裝置9中的積分器12的積分輸出Vo的時間推移的圖。當(dāng)模擬信號Van被輸入至積分器12時，積分器12的積分輸出Vo如下面的公式(1)所示與積分時間t 一起增加。請注意，參考字符CR表示時間常數(shù)。
[0040]Vo = (Van/CR)t...(1)
[0041]因此，在消逝了時間T1時的積分輸出Vo通過下面的公式(2)來表達。
[0042]Vo = (Van/CR)T1 …(2)
[0043]當(dāng)消逝了時間T1時，控制電路16斷開開關(guān)10，并且接通開關(guān)11。作為其結(jié)果，積分基準(zhǔn)電壓Vref被輸入至積分器12。當(dāng)由積分器12開始對積分基準(zhǔn)電壓Vref的積分時，積分輸出Vo與積分時間t成比例地減小。此時，積分輸出Vo的改變的斜率由積分基準(zhǔn)電壓Vref和時間常數(shù)CR確定，而不管輸入模擬信號Van的幅度如何。具體地，積分輸出Vo的改變的斜率是Vref/CR。另外，當(dāng)積分器12的積分輸出Vo變成比較基準(zhǔn)電壓(0V)時，比較器13將檢測信號輸出至計數(shù)器電路14。
[0044]計數(shù)器電路14基于比較器13的檢測信號，將積分基準(zhǔn)電壓Vref側(cè)的開關(guān)變成0N之后到積分輸出Vo達到比較基準(zhǔn)電壓(0V)所計數(shù)的時間T2輸出至計算電路15。
[0045]在這里，在消逝了時間T2時的積分輸出Vo滿足由下面的公式(3)示出的關(guān)系。
[0046]Vo = (Van/CR) X T1+(Vref/CR) XT2 = 0…(3)
[0047]因此，計算電路15輸出通過下面的公式⑷示出的計算所計算出的模擬信號Van
的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0048]Van = - VrefX (T2/T1)…(4)
[0049]另外，當(dāng)公式(4)被變形時，獲得下面的公式(5)
[0050]T2 = (Van/ ( - Vref)) XT1 …(5)
[0051]在這里，由于積分基準(zhǔn)電壓Vref和時間T1是恒定的，所以結(jié)果是時間T2取決于Van。S卩，雖然不管模擬信號Van的電勢如何時間T1都是恒定的，但時間T2取決于模擬信號Van的電勢而不同。具體地，如圖15所示，模擬信號Van的電勢越高，轉(zhuǎn)換所需的時間(T1+T2)變得越長，而模擬信號Van的電勢越低，轉(zhuǎn)換所需的時間(T1+T2)變得越短。請注意，在圖15中，橫軸表不積分時間t并且縱軸表不積分輸出Vo。另外，虛線表不當(dāng)最大電勢的模擬信號Van被輸入至積分器12時的積分輸出，實線表不當(dāng)最小電勢的模擬信號Van被輸入至積分器12時的積分輸出，并且點劃線表示當(dāng)最大電勢與最小電勢之間的電勢的模擬信號Van被輸入至積分器12時的積分輸出。
[0052]由于時間T1和T2由計數(shù)器電路14采樣，所以時間T1和T2的分辨率取決于操作計數(shù)器電路14的時鐘的頻率。由于這個原因，時間T1和T2的分辨率被表示為時鐘的數(shù)量。因此，由于時間T1和T2的分辨率可以通過增加在半導(dǎo)體裝置9中對時間T1和T2采樣的時鐘的數(shù)量來增加，所以有可能從上述公式(4)的計算結(jié)果以高精度來計算模擬信號Van。
[0053]〈檢查內(nèi)容說明〉
[0054]本發(fā)明人檢查了作為用于增加對時間T1和T2進行采樣的時鐘的數(shù)量的方法的接下來的兩種方法。第一種方法是用于通過增加對時間T1和T2進行采樣的時鐘的頻率來增加時間T1和T2的分辨率的方法。然而，在該情況中，存在著功率消耗與增加時鐘頻率相關(guān)聯(lián)地增加的問題。第二種方法是用于通過延長時間T1和T2來增加對時間T1和T2進行采樣的時鐘的數(shù)量的方法。然而，在該方法的情況中，例如就在預(yù)定周期內(nèi)結(jié)束用于一個轉(zhuǎn)換的積分已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化為產(chǎn)品規(guī)格的A/D轉(zhuǎn)換器等而言，由于不能保證在預(yù)定周期內(nèi)結(jié)束轉(zhuǎn)換，所以存在著時間T1和T2不能被簡單地延長的問題。
[0055]在下文中，將參照附圖來說明實施例。請注意，由于附圖被簡化，所以實施例的技術(shù)范圍不可基于這些附圖的描述被狹義地解釋。另外，相同的附圖標(biāo)記被附于相同的元件，并且將省略重復(fù)描述。
[0056]<實施例1>
[0057]圖1是示出根據(jù)實施例1的半導(dǎo)體裝置1的配置的電路圖。半導(dǎo)體裝置1是如下的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，其具有:開關(guān)10和11 ;積分器12 ;比較器13 ;計數(shù)器電路14 ;計算電路15 ;控制電路16 ;積分時間更新電路17 ;和存儲電路18。
[0058]如上所述，半導(dǎo)體裝置1與根據(jù)比較例的半導(dǎo)體裝置9的不同點在于:除了根據(jù)比較例的半導(dǎo)體裝置9的各配置以外，將積分時間更新電路17和存儲電路18添加至以前的器件。盡管在實施例中，說明