CN101581607B - 温度数字转换系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种温度数字转换系统及方法，该系统包括一温度感测装置、一切换装置、一缓冲放大器、一模拟数字转换器、以及一计算装置。上述温度感测装置对应一温度产生一温度感测信号。上述切换装置产生一第一模拟信号以及一第二模拟信号分别等于上述温度感测信号及其反相。上述缓冲放大器分别放大上述第一和第二模拟信号成为一第三模拟信号以及一第四模拟信号。上述模拟数字转换器分别转换上述第三和第四模拟信号为一第一数字信号以及一第二数字信号。上述计算装置计算上述第一和第二数字信号的一差值，并将上述差值除以二后输出一计算结果代表上述温度。本发明用以消除内部元件偏差电压。

Description

温度数字转换系统及方法

技术领域

本发明是关于温度数字转换器(Temperature-to-Digital Converter，TDC)，更特别关于一种可消除内部元件偏差电压的温度数字转换系统与方法。

背景技术

由于晶体管的电流与电压的关系会随着温度变化而改变，因此可利用晶体管作为测量温度的工具。图1为一般常见的温度测量方式，电流源102和电流源104耦接至第一供应电压VDD，并藉由开关106交替连接至晶体管108。电流源102提供一固定电流I1，电流源104提供另一固定电流I2。晶体管108的射极耦接至开关106，基极与集极耦接至第二供应电压VSS。当开关106连接至电流源104时，晶体管108的射极-基极电压为Vbe_I2，当开关106切换至电流源102时，晶体管108的射极-基极电压为Vbe_I1。因此，晶体管108的射极-基极电压的温度感测信号ΔVbe＝Vbe_I2-Vbe_I1，可表示为下式：

$\mathrm{\ΔVbe}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(\frac{\mathrm{IC}2}{\mathrm{IC}1}\right)\≅\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(\frac{I2}{I1}\right)$

其中K为波兹曼常数(1.381×10^-23)、T为晶体管108测量时的绝对温度、q为电子电量(1.602×10^-19)、IC1为晶体管108连接至电流源102时的集极电流、以及IC2为晶体管108连接至电流源104时的集极电流。由于K、q均为已知数值，且I1与I2可事先设计，因此可藉由测量ΔVbe而得知晶体管的温度。

发明内容

本发明提供一种温度数字转换系统，包括一温度感测装置、一切换装置、一缓冲放大器、一模拟数字转换器、以及一计算装置。上述温度感测装置对应一温度产生一温度感测信号。上述切换装置产生一第一模拟信号等于上述温度感测信号，以及一第二模拟信号等于上述温度感测信号的反相。上述缓冲放大器分别放大上述第一和第二模拟信号成为一第三模拟信号以及一第四模拟信号。上述模拟数字转换器分别转换上述第三和第四模拟信号为一第一数字信号以及一第二数字信号。上述计算装置计算上述第一和第二数字信号的一差值，并将上述差值除以二后输出一计算结果代表上述温度。

本发明更提供一种温度数字转换方法。首先，对应一温度产生一温度感测信号，接着产生一第一模拟信号等于上述温度感测信号，以及产生一第二模拟信号等于上述温度感测信号的反相。接着，放大上述第一模拟信号成为一第三模拟信号，以及放大上述第二模拟信号成为一第四模拟信号，并且转换上述第三模拟信号为一第一数字信号，以及转换上述第四模拟信号为一第二数字信号。最后，计算上述第一和第二数字信号的一差值，并将上述差值除以二后输出一计算结果代表上述温度。进而消除内部元件偏差电压。

附图说明

图1为一般常见的温度测量方式；

图2为本发明的一系统实施例；

图3为本发明的另一系统实施例；

图4A为温度数字转换系统300产生第一数字信号Vseq1的控制时序图；

图4B为温度数字转换系统300产生第二数字信号Vseq2的控制时序图；以及

图5A-5E为温度数字转换系统300的开关P1-P7在不同阶段的系统等效图。

附图标号

102、104、328、330～电流源

106～开关

seq1、seq2、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7～开关

108、324～晶体管

202、302～温度感测装置

204、304～切换装置

206、306～缓冲放大器

208、308～模拟数字转换器

224～理想的模拟数字转换器

210、310～计算装置

322～切换电流源

326～偏压装置

220、320～差分放大器

222、226～偏差电压

332、334、336、338～电容

具体实施方式

图2为本发明的一系统实施例，温度数字转换系统200包括温度感测装置202、切换装置204、缓冲放大器206、模拟数字转换器208、以及计算装置210。温度感测装置202可对应一温度产生一温度感测信号ΔVbe。切换装置204具有第一输入端212、第二输入端214、第一输出端216、以及第二输出端218。第一输入端212以及第二输入端214可用以接收温度感测信号ΔVbe。切换装置204可包括开关seq1和seq2，其中开关seq1和seq2是交替导通。举例而言，当开关seq1为导通而开关seq2为不导通时，第一输入端212连接至第一输出端216，且第二输入端214连接至第二输出端218，此时切换装置204可输出一第一模拟信号等于温度感测信号ΔVbe。反之，当开关seq2为导通而开关seq1为不导通时，第一输入端212连接至第二输出端218，且第二输入端214连接至第一输出端216，此时切换装置204可输出一第二模拟信号等于温度感测信号ΔVbe的反向(亦即-ΔVbe)。

缓冲放大器206可视切换装置204内部的连接方式，放大上述第一模拟信号并输出一第三模拟信号，或是放大上述第二模拟信号并输出一第四模拟信号。缓冲放大器206可包括一差分放大器220，但由于差分放大器220本身元件的制造误差(例如晶体管不匹配)，故具有一偏差电压222，Voffset1，位于其输入正端或输入负端。因此，上述第三模拟信号可表示为(ΔVbe+Voffset1)×A，A为缓冲放大器206的放大倍数。同理，上述第四模拟信号可表示为(-ΔVbe+Voffset1)×A。

模拟数字转换器208可转换上述第三模拟信号成为一第一数字信号Vseq1，或是转换上述第四模拟信号成为一第二数字信号Vseq2。由于模拟数字转换器208本身具有误差，故可等效成一理想的模拟数字转换器224以及一偏差电压226，Voffset2，可位于模拟数字转换器224的两输入端其中之一。因此，第一数字信号Vseq1可表示为Vseq1＝(ΔVbe+Voffset1)×A+Voffset2，第二数字信号Vseq2可表示为Vseq2＝(-ΔVbe+Voffset1)×A+Voffset2。计算装置210可储存第一数字信号Vseq1以及第二数字信号Vseq2，接着计算其差值，并将上述差值除以二后输出一计算结果DOUT。因此，DOUT＝(Vseq1-Vseq2)/2＝ΔVbe×A。由上可知，本实施例的一个好处在于可利用切换装置204以及计算装置210，将放大过程及数字化过程中所产生的偏差电压222和226消除，而留下真正的温度感测信号。

图3为本发明的另一系统实施例，温度数字转换系统300包括温度感测装置302、切换装置304、缓冲放大器306、模拟数字转换器308、以及计算装置310。温度感测装置302可包括切换电流源322、晶体管324、以及偏压装置326。切换电流源322可包括电流源328及330，以及开关P1和P2。电流源328可提供一第一电流I1，而电流源330可提供一第二电流I2。开关P1和P2是交替导通，因此切换电流源322可交替输出第一电流I1以及第二电流I2。偏压装置326可提供一偏压至晶体管324。晶体管324可在一温度下交替接收第一电流I1以及第二电流I2，并对应第一电流I1和第二电流I2的一电流比值以及上述温度，产生一温度感测信号ΔVbe。由于第一电流I1以及第二电流I2为已知的固定电流，因此温度感测信号ΔVbe与温度呈正比。如图3所示，晶体管324可为一P型双极接面晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)。

切换装置304可包括开关seq1和seq2，其中开关seq1和seq2是交替导通。当开关seq1为导通而开关seq2为不导通时，第一输入端312连接至第一输出端316，且第二输入端314连接至第二输出端318，此时可输出一第一模拟信号等于温度感测信号ΔVbe。反之，当开关seq2为导通而开关seq1为不导通时，第一输入端312连接至第二输出端318，且第二输入端314连接至第一输出端316，此时可输出一第二模拟信号等于-ΔVbe。

缓冲放大器306可包括差分放大器320、第一电容332、第二电容334、第三电容336、第四电容338、以及开关P1～P7。缓冲放大器306可一既定次数取样第一模拟信号并乘以一既定倍数后累加输出一第三模拟信号，或是以上述既定次数取样第二模拟信号并乘以上述既定倍数后累加输出一第四模拟信号。第一电容332与第二电容334分别耦接至切换装置304的第一输出端316和第二输出端318，具有相同电容值Cs。第三电容336与第四电容338具有相同电容值Ch。开关P1～P7可控制第一、第二、第三、和第四电容332～338连接至差分放大器320，其中开关P1-P2为第一组开关，可控制取样阶段及保持阶段的切换，而开关P3-P7为第二组开关，可控制正向阶段与反向阶段的切换。差分放大器320具有输入负端340、输入正端342、输出正端344、以及输出负端346，并可能具有一偏差电压Voffset1(图未显示)。

模拟数字转换器308可转换第三模拟信号成为第一数字信号Vseq1，或是转换第四模拟信号成为第二数字信号Vseq2，并可能具有一偏差电压Voffset2(图未显示)。计算装置310可储存第一数字信号Vseq1以及第二数字信号Vseq2，计算第一数字信号Vseq1与第二数字信号Vseq2的差值，并将上述差值除以二后输出一计算结果DOUT代表上述温度。本实施例的好处之一在于可消除差分放大器320与模拟数字转换器308内部产生的偏差电压Voffset1和Voffset2。本实施例的另一好处在于可藉由多次取样温度感测信号ΔVbe并放大后累加起来，而将热噪声(thermal noise)作平均以消除其干扰。

图4A为温度数字转换系统300产生第一数字信号Vseq1的控制时序图，图4B为温度数字转换系统300产生第二数字信号Vseq2的控制时序图，其中Vxp为差分放大器320的输出正端344的电压，Vxn为差分放大器320的输出负端346的电压。值得注意的是在图4A中，开关seq1维持导通而开关seq2维持不导通，直到第一数字信号Vseq1产生后(亦即模拟数字转换器308的控制信号ADC EOC为高位准时)才互换导通状态。反之，在图4B中，开关seq1维持不导通而开关seq2维持导通，直到第二数字信号Vseq2产生后(亦即模拟数字转换器308的控制信号ADC EOC为高位准时)才互换导通状态。此外，图4A-4B的N代表取样第几次，每次取样会先经过一保持阶段(开关P2导通，开关P1不导通)，再经过一取样阶段(开关P1导通，开关P2不导通)。虽然本实施例取样次数为8，但本发明可不以此次数为限。缓冲放大器306可将每次取样的结果放大后累加起来。在图4A中，取样8次后的Vxp-Vxn可代表第三模拟信号，此时控制信号ADC START可产生一脉波控制模拟数字转换器308开始转换第三模拟信号成为第一数字信号Vseq1。在图4B中，取样8次后的Vxp-Vxn可代表第四模拟信号，控制信号ADC START可产生一脉波控制模拟数字转换器308开始转换第四模拟信号为第二数字信号Vseq2。当控制信号ADC EOC变成高位准时，表示模拟数字转换器308已转换结束。

图5A-5E为温度数字转换系统300的开关P1-P7在不同阶段的系统等效图，以说明缓冲放大器306的取样累加过程。图5A为缓冲放大器306处于一重设阶段的系统简化图，对应至图4A-4B的时间点为开关P2、P4、和P7为导通，开关P1、P3、P5、和P6为不导通。在此重设阶段中，第三电容336和第四电容338可储存差分放大器320内部的偏差电压Voffset1(图未显示)。

图5B-5C为缓冲放大器306处一正向阶段(N＝1，2，7，8)的系统简化图。在图5B-5C中，第二组开关P3-P7使第三电容336连接于输入负端340与输出正端344之间，并且使第四电容338连接于输入正端342与输出负端346之间。

图5B对应至图4A-4B的时间点为开关P2导通，开关P1不导通，为一保持阶段。在图5B中，第一电容332和第二电容334连接至共同电压COM，第三电容336与第四电容338保持原本储存的电荷，晶体管324接收电流源330所输出的第二电流I2。图5C对应至图4A-4B的时间点为开关P1导通，开关P2不导通，为一取样阶段。在图5C中，第一电容332和第二电容334各自连接至第三电容336和第四电容338，晶体管324改接收电流源328所输出的第一电流I1。由于晶体管324接收的电流由第二电流I2改为第一电流I1，因此产生一温度感测信号ΔVbe，并使第一电容332和第二电容334各自将改变的电荷推向第三电容336和第四电容338。因此，温度感测信号ΔVbe便可于输出正端344和输出负端346放大一既定倍数，此既定倍数等于Ch/Cs，并可和之前所累积的电压累加起来。

图5D-5E缓冲放大器306处于一反向阶段(N＝3，4，5，6)的系统简化图。图5D对应至图4A-4B的时间点为开关P2导通，开关P1不导通，为一保持阶段。在图5D中，第一电容332和第二电容334连接至共同电压COM，第三电容336与第四电容338保持原本储存的电荷，晶体管324接收电流源330所输出的第二电流I2。图5E对应至图4A-4B的时间点为开关P1为导通，开关P2为不导通，为一取样阶段。图5E与图5C不同之处在于，第一电容332由连接输入负端340改为连接输入正端342，第二电容334由连接输入正端342改为连接输入负端340，第三电容336由连接于输入负端340与输出正端344之间改为连接于输入正端342与输出负端346之间，第四电容338由连接于输入正端342与输出负端346之间改为连接于输入负端340与输出正端344之间。值得注意的是，在累加过程中使用第二组开关P3-P7改变缓冲放大器306的内部连接方式，其好处在于可消除差分放大器320的偏差电压Voffset1，并且增加差分放大器320的输出电压摆幅。此外，缓冲放大器306的放大倍数A可等效成累加次数乘以Ch/Cs。

虽然本发明已以数个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视前附的权利要求所界定者为准。

Claims (15)

1.一种温度数字转换系统，其特征在于，该系统包括：

一温度感测装置，用以对应一温度产生一温度感测信号；

一切换装置，用以产生一第一模拟信号等于上述温度感测信号，以及产生一第二模拟信号等于上述温度感测信号的反相，上述的切换装置具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端、以及一第二输出端，上述第一输入端以及上述第二输入端用以接收上述温度感测信号，上述第一输入端连接上述第一输出端且上述第二输入端连接上述第二输出端时，上述切换装置产生上述第一模拟信号，以及当上述第一输入端连接上述第二输出端且上述第二输入端连接上述第一输出端时，上述切换装置产生上述第二模拟信号；

一缓冲放大器，用以放大上述第一模拟信号成为一第三模拟信号，以及放大上述第二模拟信号成为一第四模拟信号；

一模拟数字转换器，用以转换上述第三模拟信号为一第一数字信号以及转换上述第四模拟信号为一第二数字信号；以及

一计算装置，用以计算上述第一数字信号与上述第二数字信号的一差值，并将上述差值除以二后输出一计算结果代表上述温度。

2.如权利要求1所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述温度感测装置更包括：

一切换电流源，用以交替输出一第一电流以及一第二电流其中之一者；

一晶体管，用以交替接收上述第一电流以及上述第二电流其中之一者，并对应上述第一和第二电流的一电流比值以及上述温度产生上述温度感测信号；以及

一偏压装置，用以提供一偏压至上述晶体管。

3.如权利要求1所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述缓冲放大器包括：

一差分放大器，具有一输入正端、一输入负端、一输出正端、以及一输出负端；

一第一电容以及一第二电容，耦接至上述切换装置；

一第三电容和一第四电容，其中上述第三电容与第一电容具有一电容比值，上述第二电容与第四电容亦具有上述电容比值；以及

复数开关，用以控制上述第一、第二、第三、和第四电容连接至上述差分放大器。

4.如权利要求3所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述开关更包括一第一组开关，在一取样阶段时控制上述第一和第二电容连接至一共同电压，以及在一保持阶段时控制上述第一和第二电容各自连接至上述第三和第四电容。

5.如权利要求3所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述开关更包括一第二组开关，在一正向阶段时控制上述第三电容连接于上述输入负端与上述输出正端之间以及上述第四电容连接于上述输入正端与上述输出负端之间，以及在一反向阶段时控制上述第三电容连接于上述输入正端与上述输出负端之间以及上述第四电容连接于上述输入负端与上述输出正端之间。

6.如权利要求3所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述第一和第二电容用以接收上述第一模拟信号和上述第二模拟信号其中之一者。

7.如权利要求3所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述输出正端和上述输出负端用以输出上述第三模拟信号和上述第四模拟信号其中之一者。

8.如权利要求3所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述缓冲放大器以一既定次数取样上述第一模拟信号并乘以一既定倍数后累加起来作为上述第三模拟信号，并且以上述既定次数取样上述第二模拟信号并乘以上述既定倍数后累加起来作为上述第四模拟信号，其中上述既定倍数为上述电容比值。

9.一种温度数字转换系统，其特征在于，该系统包括：

一温度感测装置，用以对应一温度产生一温度感测信号；

一切换装置，用以产生一第一模拟信号等于上述温度感测信号，以及产生一第二模拟信号等于上述温度感测信号的反相，上述的切换装置具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端、以及一第二输出端，上述第一输入端以及上述第二输入端用以接收上述温度感测信号，上述第一输入端连接上述第一输出端且上述第二输入端连接上述第二输出端时，上述切换装置产生上述第一模拟信号，以及当上述第一输入端连接上述第二输出端且上述第二输入端连接上述第一输出端时，上述切换装置产生上述第二模拟信号；

一缓冲放大器，用以一既定次数取样上述第一模拟信号并乘以一既定倍数后累加输出成一第三模拟信号，并且以上述既定次数取样上述第二模拟信号并乘以上述既定倍数后累加输出成一第四模拟信号；

一模拟数字转换器，用以转换上述第三模拟信号为一第一数字信号以及转换上述第四模拟信号为一第二数字信号；以及

一计算装置，用以计算上述第一数字信号与上述第二数字信号的一差值，并将上述差值除以二后输出一计算结果代表上述温度。

10.如权利要求9所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述温度感测装置更包括：

一切换电流源，用以交替输出一第一电流以及一第二电流其中之一者；

一晶体管，用以交替接收上述第一电流以及上述第二电流其中之一者，并对应上述第一和第二电流的一电流比值以及上述温度产生上述温度感测信号；以及

一偏压装置，用以提供一偏压至上述晶体管。

11.如权利要求9所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述缓冲放大器包括：

一差分放大器，具有一输入正端、一输入负端、一输出正端、以及一输出负端；

一第一电容以及一第二电容，耦接至上述切换装置；

一第三电容和一第四电容；以及

复数开关，用以控制上述第一、第二、第三、和第四电容连接至上述差分放大器。

12.如权利要求11所述的温度数字转换系统，其特征在于，上述第三电容与第一电容具有一电容比值等于上述既定倍数，以及上述第二电容与第四电容亦具有上述电容比值。

13.一种温度数字转换方法，该方法包括：

对应一温度产生一温度感测信号；

产生一第一模拟信号等于上述温度感测信号，以及产生一第二模拟信号等于上述温度感测信号的反相，利用一具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端、以及一第二输出端的切换装置产生所述的第一模拟信号和第二模拟信号，利用上述第一输入端以及上述第二输入端接收上述温度感测信号，上述第一输入端连接上述第一输出端且上述第二输入端连接上述第二输出端时，产生上述第一模拟信号，当上述第一输入端连接上述第二输出端且上述第二输入端连接上述第一输出端时，产生上述第二模拟信号；

放大上述第一模拟信号成为一第三模拟信号，以及放大上述第二模拟信号成为一第四模拟信号；

转换上述第三模拟信号为一第一数字信号，以及转换上述第四模拟信号为一第二数字信号；以及

计算上述第一和第二数字信号的一差值，并将上述差值除以二后输出一计算结果代表上述温度。

14.如权利要求13所述的温度数字转换方法，其特征在于，放大上述第一和第二模拟信号更包括以一既定次数取样上述第一模拟信号并乘以一既定倍数后累加产生上述第三模拟信号，并且以上述既定次数取样上述第二模拟信号并乘以上述既定倍数后累加产生上述第四模拟信号。

15.如权利要求14所述的温度数字转换方法，其特征在于，产生上述温度感测信号更包括：

交替输出一第一电流以及一第二电流其中之一者；以及

利用一晶体管交替接收上述第一电流以及上述第二电流其中之一者，并对应上述第一和第二电流的一电流比值以及上述温度产生上述温度感测信号。

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