一種溫度轉(zhuǎn)換方法以及低功耗高精度集成溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種溫度轉(zhuǎn)換方法及其低功耗高精度集成溫度傳感器，包括帶有傳感核心的帶隙基準(zhǔn)電路、正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路，電流源及采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊，時(shí)鐘產(chǎn)生電路，分壓及緩沖電路以及全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器；將傳統(tǒng)技術(shù)中的傳感核心電路與帶隙基準(zhǔn)電路進(jìn)行合并集成，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，設(shè)置電流源動(dòng)態(tài)元件匹配模塊，產(chǎn)生極性交替變化的與絕對(duì)溫度成正比的基射結(jié)電壓差，采用新型正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路，完成改進(jìn)的溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍利用率，同時(shí)對(duì)采樣電容進(jìn)行動(dòng)態(tài)元件匹配，提高了積分精度；最終由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)有效溫度信號(hào)進(jìn)行量化處理以提供數(shù)字輸出，本發(fā)明能有效降低傳感器的溫度誤差和電路功耗，適用于低功耗高精度溫度傳感應(yīng)用。
【專利說明】一種溫度轉(zhuǎn)換方法以及低功耗高精度集成溫度傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種溫度轉(zhuǎn)換方法以及低功耗高精度集成溫度 傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前基于比例測(cè)量原理的CMOS半導(dǎo)體溫度集成傳感器的基本實(shí)現(xiàn)方法是：標(biāo)準(zhǔn) CMOS集成電路工藝中的寄生襯底PNP晶體管在不同電流密度下的基射結(jié)電壓差A(yù)V be是一 個(gè)線性度極高的與絕對(duì)溫度成正比的電壓，將其進(jìn)行線性放大到合適幅度（稱為Vptat)去和 一個(gè)與溫度無關(guān)的參考電壓V kef比較，可以得到一個(gè)與溫度成正比的電壓比例函數(shù)（溫度 轉(zhuǎn)換函數(shù)），這個(gè)比例函數(shù)可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（例如逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行量化輸 出然后進(jìn)行一定的線性化處理得到環(huán)境溫度，這種方法稱為比例測(cè)量原理?，F(xiàn)有技術(shù)中基 于比例測(cè)量原理的溫度傳感器由于溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)的限制，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍的利用 率低，不超過60%，造成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率的浪費(fèi)?，F(xiàn)有技術(shù)中溫度傳感器其帶隙基準(zhǔn)電 路和傳感器核心電路是相互獨(dú)立的，這在一定程度上增加了溫度傳感器的誤差來源，增加 了電路的復(fù)雜度和功耗。此外現(xiàn)有技術(shù)的低功耗溫度傳感器方案，為了追求低功耗，較少使 用必要的精確電路技術(shù)，導(dǎo)致溫度誤差很大在± 1°C以上，實(shí)際使用價(jià)值不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的在于克服以上現(xiàn)有技術(shù)之不足，基于現(xiàn)有的比例測(cè)量原理集成溫度傳 感器設(shè)計(jì)思想，提供一種新的溫度轉(zhuǎn)換方法以及低功耗高精度集成溫度傳感器，具體由以 下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0004] 采用由帶有傳感核心的帶隙基準(zhǔn)電路、正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路與全差分模數(shù) 轉(zhuǎn)換器連接組成的溫度傳感器，帶隙基準(zhǔn)電路由第三PNP晶體管以及電流密度比值為m的 第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管連接組成，所述第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管的發(fā)射 極分別設(shè)有阻值相同的第一偏置電阻和第二偏置電阻，其特征在于在第一偏置電阻、第二 偏置電阻與電流源之間設(shè)置電流源動(dòng)態(tài)元件匹配模塊，在第一 PNP晶體管支路、第二PNP晶 體管支路的電流源與第三PNP晶體管支路的電流源之間設(shè)置一電流鏡；
[0005] 采用包括正向積分單元與負(fù)向積分單元的正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路，所述正負(fù) 同步開關(guān)電容積分電路接受傳感核心輸出的電壓信號(hào)，所述正向積分單兀與負(fù)向積分單兀 分別設(shè)有不交疊時(shí)鐘信號(hào)控制的積分開關(guān)、調(diào)零開關(guān)和采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊，當(dāng)調(diào) 零開關(guān)閉合時(shí)，采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊順序選擇一個(gè)正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路中的 采樣電容，用于采樣失調(diào)電壓；當(dāng)調(diào)零開關(guān)斷開，積分開關(guān)閉合時(shí)，正負(fù)同步開關(guān)電容積分 電路處于積分模式，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行正負(fù)向同步積分，并消除失調(diào)電壓完成調(diào)零；若干次積 分后，與絕對(duì)溫度成正比的電壓實(shí)現(xiàn)了與偏移電壓V tjff的相減，然后輸入全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 與參考電壓進(jìn)行比較，得到一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的比值，如式￠)，使得傳感器在所需溫 度范圍[T min，TmaJ 內(nèi)，當(dāng)滿足[M · AVbe,Tmax-N · Vshift]-[M · AVbe,Tmin-N · Vshift] = 2 · Vkef 時(shí)， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍利用率達(dá)到100% ;
[0006]

【權(quán)利要求】
1. 一種溫度轉(zhuǎn)換方法，采用由帶有傳感核心的帶隙基準(zhǔn)電路、正負(fù)同步開關(guān)電容積分 電路與全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接組成的溫度傳感器，帶隙基準(zhǔn)電路由第三PNP晶體管以及 電流密度比值為m的第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管連接組成，所述第一 PNP晶體管、第 二PNP晶體管的發(fā)射極分別設(shè)有阻值相同的第一偏置電阻和第二偏置電阻，其特征在于在 第一偏置電阻、第二偏置電阻與電流源之間設(shè)置電流源動(dòng)態(tài)元件匹配模塊，在第一 PNP晶 體管支路、第二PNP晶體管支路的電流源與第三PNP晶體管支路的電流源之間設(shè)置一電流 鏡； 采用包括正向積分單元與負(fù)向積分單元的正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路，所述正負(fù)同步 開關(guān)電容積分電路接受傳感核心輸出的電壓信號(hào)，所述正向積分單兀與負(fù)向積分單兀分別 設(shè)有不交疊時(shí)鐘信號(hào)控制的積分開關(guān)、調(diào)零開關(guān)和采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊，當(dāng)調(diào)零開 關(guān)閉合時(shí)，采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊順序選擇一個(gè)正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路中的采樣 電容，用于采樣失調(diào)電壓；當(dāng)調(diào)零開關(guān)斷開，積分開關(guān)閉合時(shí)，正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路 處于積分模式，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行正負(fù)向同步積分，并消除失調(diào)電壓完成調(diào)零；若干次積分 后，與絕對(duì)溫度成正比的電壓實(shí)現(xiàn)了與偏移電壓V tjff的相減，然后輸入全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器與 參考電壓進(jìn)行比較，得到一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的比值，如式￠)，使得傳感器在所需溫度 范圍[T min，TmaJ 內(nèi)，當(dāng)滿足[Μ · Λ Vbe tmx-N · Vshift]-[M · Λ VBE,Tmin-N · Vshift] = 2 · Vkef 時(shí)，模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍利用率達(dá)到100% ;
(6) 其中，Tmax和Tmin為傳感器所需探測(cè)溫度范圍的最大和最小值，μ nOT為經(jīng)過改進(jìn)的輸入 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，AVbe為PNP晶體管基射結(jié)電壓差，Vtjff為總的偏移電壓，V shift 為單次積分有效偏移電壓，Vkef為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓，M為AVbe的放大系數(shù)，N為V shift 的放大系數(shù)，M、N與積分次數(shù)有關(guān)，并且Vtjff = N · Vshift。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度轉(zhuǎn)換方法，其特征在于在第一偏置電阻、第二偏置電阻 與電流源動(dòng)態(tài)元件匹配模塊之間分別設(shè)置第一開關(guān)與第二開關(guān)，所述第一開關(guān)、第二開關(guān) 分別可選通地將動(dòng)態(tài)元件匹配模塊控制的I :m和m: 1的精確比例電流輸入第一 PNP晶體 管、第二PNP晶體管的發(fā)射極以形成所述傳感核心，輸出極性交替變換的與溫度成正比的 電壓信號(hào)土 Δ Vbe ; 在第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管的基極之間設(shè)置有阻值為偏置電阻Ι/m的電阻，并 在該電阻兩端分別設(shè)置第三開關(guān)和第四開關(guān)來選擇該電阻串聯(lián)到第一 PNP晶體管或第二 PNP晶體管的基極和地之間，用于消除PNP晶體管有限的電流放大系數(shù)帶來的誤差； 在第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管與電流鏡間設(shè)置斬波運(yùn)算放大器，在斬波運(yùn)算放大 器的放大輸入端分別設(shè)置第一輸入斬波開關(guān)與第二輸入斬波開關(guān)，保證了偏置電阻可以正 確接入電路以產(chǎn)生Iptm ;在運(yùn)算放大器的輸出電流鏡支路設(shè)置第一輸出斬波開關(guān)與第二輸 出斬波開關(guān)，用于第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管輪流偏置在I :m和m: 1的電流比下運(yùn)算 放大器同相、反相輸入端極性交換時(shí)，保證反饋極性的正確。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度轉(zhuǎn)換方法，其特征在于還包括一不交疊時(shí)鐘產(chǎn)生電路， 所述第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第一輸入斬波開關(guān)、第二輸入斬波開關(guān)、第 一輸出斬波開關(guān)、第二輸出斬波開關(guān)分別通過所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供的時(shí)序φ3，以控制所 述開關(guān)的啟閉；所述電流源動(dòng)態(tài)元件匹配模塊通過所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供的時(shí)序φ3，以控 制所述模塊輸出動(dòng)態(tài)元件匹配控制信號(hào)，產(chǎn)生精確比例電流源；所述調(diào)零開關(guān)通過所述時(shí) 鐘產(chǎn)生電路提供的時(shí)序O 1，以控制所述調(diào)零開關(guān)的啟閉；所述積分開關(guān)通過所述時(shí)鐘產(chǎn)生 電路提供的時(shí)序φ2，以控制所述積分開關(guān)的啟閉；所述采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊通過所 述時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供的時(shí)序sel，以控制所述模塊輸出動(dòng)態(tài)元件匹配控制信號(hào)，順序選擇采 樣電容。
4. 如權(quán)利要求1-3的任意一項(xiàng)，提供一種低功耗高精度集成溫度傳感器，包括帶有傳 感核心的帶隙基準(zhǔn)電路、正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路以及全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述正負(fù)同 步開關(guān)電容積分電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器通信連接，其特征在于還包括分壓及緩沖電路、時(shí)鐘產(chǎn) 生電路以及電流源及采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊， 所述帶有傳感核心的帶隙基準(zhǔn)電路，用于接收所述電流源動(dòng)態(tài)元件匹配模塊的控制 信號(hào)，輸出零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓；所述傳感核心用于輸出極性交替變化的基射結(jié)電 壓差； 所述時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生若干種時(shí)序不交疊的時(shí)鐘信號(hào)； 所述電流源和采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊，用于接受所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路的時(shí)鐘信號(hào)， 并輸出控制信號(hào)； 所述正負(fù)同步開關(guān)電容積分電路，包括全差分運(yùn)算放大器、控制單元以及相互通信連 接的正向積分單元、反向積分單元，用于接收所述基射結(jié)電壓差、時(shí)鐘產(chǎn)生電路的對(duì)應(yīng)的時(shí) 鐘信號(hào)以及分壓及緩沖電路的電壓，經(jīng)過積分輸出模擬信號(hào)； 所述全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于接受所述模擬信號(hào)，輸出數(shù)字信號(hào)； 所述分壓及緩沖電路，接受所述零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓，輸出參考電壓與反向積 分單元的工作電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的低功耗高精度集成溫度傳感器，其特征在于所述帶隙基準(zhǔn)電 路包括第三PNP晶體管與電流密度比值為m的第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管，所述第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管的發(fā)射極分別設(shè)有阻值相同的第一偏置電阻和第二偏置電阻， 在所述第一偏置電阻、第二偏置電阻與電流源動(dòng)態(tài)元件匹配模塊之間設(shè)置第一開關(guān)與第二 開關(guān)，所述第一開關(guān)、第二開關(guān)分別可選通地將動(dòng)態(tài)元件匹配模塊控制的l:m和m:l的精確 比例電流輸入第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管的發(fā)射極；在第一 PNP晶體管、第二PNP晶 體管的基極之間設(shè)置有阻值為偏置電阻Ι/m的電阻，并在該電阻兩端分別設(shè)置第三開關(guān)和 第四開關(guān)來選擇該電阻串聯(lián)到第一 PNP晶體管或第二PNP晶體管的基極和地之間，用于消 除PNP晶體管有限的電流放大系數(shù)帶來的誤差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的低功耗高精度集成溫度傳感器，其特征在于第一 PNP晶體管 支路、第二PNP晶體管支路的電流源通過一電流鏡與第三PNP晶體管支路的電流源通信連 接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的低功耗高精度集成溫度傳感器，其特征在于所述第一 PNP晶 體管、第二PNP晶體管與電流鏡間設(shè)置斬波運(yùn)算放大器，在斬波運(yùn)算放大器的放大輸入端 分別設(shè)置第一輸入斬波開關(guān)與第二輸入斬波開關(guān)，保證了偏置電阻可以正確接入電路以 產(chǎn)生I ptat ;在運(yùn)算放大器的輸出電流鏡支路設(shè)置第一輸出斬波開關(guān)與第二輸出斬波開關(guān)， 用于第一 PNP晶體管、第二PNP晶體管輪流偏置在I :m和m: 1的電流比下運(yùn)算放大器同相、 反相輸入端極性交換時(shí)，保證反饋極性的正確。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的低功耗高精度集成溫度傳感器，其特征在于所述控制單元為 兩個(gè)，分別對(duì)應(yīng)地通信連接于正向積分單元與反向積分單元，每個(gè)控制單元包括由時(shí)序不 交疊的時(shí)鐘信號(hào)控制的積分開關(guān).、調(diào)零開關(guān)、采樣電容以及采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊， 當(dāng)調(diào)零開關(guān)閉合時(shí)，采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊順序選擇一個(gè)采樣電容，正負(fù)同步開關(guān)電 容積分電路在采樣電容上采樣失調(diào)電壓。當(dāng)調(diào)零開關(guān)斷開，積分開關(guān)閉合時(shí)，正負(fù)同步開關(guān) 電容積分電路處于積分模式，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行正負(fù)向同步積分，并消除失調(diào)電壓完成調(diào)零。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的低功耗高精度集成溫度傳感器，其特征在于所述控制單元由 兩控制支路并接組成，一控制支路為所述調(diào)零開關(guān)，另一控制支路由一電容與所述積分開 關(guān)連接組成，所述兩控制支路分別通信連接于全差分運(yùn)算放大器與正向積分單元或反向積 分單元。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的低功耗高精度集成溫度傳感器，其特征在于所述第一開 關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第一輸入斬波開關(guān)、第二輸入斬波開關(guān)、第一輸出斬波 開關(guān)、第二輸出斬波開關(guān)分別通過所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供的時(shí)序Φ 3，以控制所述開關(guān)的啟 閉；所述電流源動(dòng)態(tài)元件匹配模塊通過所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供的時(shí)序Φ3，以控制所述模塊 輸出動(dòng)態(tài)元件匹配控制信號(hào)，產(chǎn)生精確比例電流源；所述調(diào)零開關(guān)通過所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路 提供的時(shí)序O 1，以控制所述調(diào)零開關(guān)的啟閉；所述積分開關(guān)通過所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供的 時(shí)序Φ2，以控制所述積分開關(guān)的啟閉。所述采樣電容動(dòng)態(tài)元件匹配模塊通過所述時(shí)鐘產(chǎn)生 電路提供的時(shí)序sel，以控制所述模塊輸出動(dòng)態(tài)元件匹配控制信號(hào)，順序選擇采樣電容。
【文檔編號(hào)】G01K7/01GK104390715SQ201410547266
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】景為平, 陳暉 , 虞國良, 繆小勇 申請(qǐng)人:南通大學(xué)