CN101762336B - 一种cmos开关电流温度传感器电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CMOS开关电流温度传感器电路及其控制方法，所述传感器电路包括电压产生电路、运算放大器、输入电容、反馈电容、电阻分压器、控制电路和若干MOS开关，所述电压产生电路与一外部电源连接，输出第一极间电压和第二极间电压；所述运算放大器的反相输入端通过所述输入电容与电压产生电路连接，接收所述的第一极间电压，其同相输入端接收所述的第二极间电压，其输出端分两路分别输出一基准电压和一正温度系数电压。本发明利用动态单元匹配技术，能为一个较小的电压差ΔVbe产生一个精确的放大系数，并产生一个精确的与温度无关的基准电压和与温度成正比例变化的正温度系数电压，从而有效提高温度传感器的温度检测精度。

Description

一种CMOS开关电流温度传感器电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种可以广泛应用于温度保护模块和工业工艺控制系统的CMOS开关电流温度传感器电路及其控制方法。

背景技术

在工农业生产和科学研究过程中，温度是需要测量和控制的一个重要参数，因此，在各种传感器中，温度传感器是应用最广泛的一种，而其中CMOS温度传感器与传统类型温度传感器相比，具有灵敏度高、线性好、体积小、功耗低、易于集成等优点，因此在温度传感器应用领域具有突出地位。

但是，普通CMOS温度传感器由于PTAT(Proportional To AbsoluteTemperature，与温度成正比例变化的)电压的精度的限制，主要有两个缺陷：一是双极晶体管对的失配；二是由MOS晶体管组成的电流源电路的失配。因此，由于这两个缺陷会造成双极晶体管对的基极和发射极间电压之差的相对误差大大增加，从而造成温度传感器对温度的检测不精确。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种CMOS开关电流温度传感器电路及其控制方法，以实现能够同时输出一与温度无关的电压和一与温度相关的电压、提高温度传感器检测精度的目的。

本发明之一所述的一种CMOS开关电流温度传感器电路，它包括电压产生电路、运算放大器、输入电容、反馈电容、电阻分压器、控制电路和若干MOS开关，

所述电压产生电路与一外部电源连接，输出第一极间电压和第二极间电压；

所述运算放大器的反相输入端通过所述输入电容与电压产生电路连接，接收所述的第一极间电压，其同相输入端接收所述的第二极间电压，其输出端分两路分别输出一基准电压和一正温度系数电压；

所述反馈电容的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，其另一端与所述电阻分压器连接；

所述电阻分压器的一端与所述运算放大器输出端输出正温度系数电压的一路连接，其另一端接地；

所述控制电路分别与所述电压产生电路和若干MOS开关连接，一方面设置所述第一极间电压和第二极间电压的大小，另一方面控制所述MOS开关的开闭；

所述若干MOS开关包括第一MOS开关至第七MOS开关，所述第一MOS开关串联在所述电压产生电路和输入电容之间，第二MOS开关的一端与所述电压产生电路连接，其另一端连接在所述输入电容和第一MOS开关之间，第三MOS开关串联在所述反馈电容和电阻分压器之间，第四MOS开关串联在所述运算放大器的输出端和电阻分压器之间，第五MOS开关串联在所述运算放大器输出端输出基准电压的一路上，第六MOS开关的一端连接在所述反馈电容和第三MOS开关之间，其另一端接地，第七MOS开关的一端与所述运算放大器的同相输入端连接，另一端连接在所述第六MOS开关与反馈电容之间。

在上述的CMOS开关电流温度传感器电路中，电压产生电路包括第一电流源、第二电流源、第一双极晶体管和第二双极晶体管，所述第一电流源和第二电流源的输入端同时与所述的外部电源连接，所述第一电流源的输出端与第一双极晶体管的发射极连接，所述第二电流源的输出端与第二双极晶体管的发射极连接，所述第一双极晶体管的基极、集电极以及第二双极晶体管的基极、集电极同时接地。

在上述的CMOS开关电流温度传感器电路中，所述运算放大器的反相输入端依次通过所述输入电容和第一MOS开关与第一双极晶体管的发射极连接，其同相输入端与所述第二双极晶体管的发射极连接。

在上述的CMOS开关电流温度传感器电路中，所述的电阻分压器包括串联连接的第一电阻和第二电阻，且所述第三MOS开关连接到所述第一电阻和第二电阻之间。

本发明之二所述的一种CMOS开关电流温度传感器电路的控制方法，所述传感器电路包括电压产生电路、第一MOS开关至第七MOS开关以及控制该电压产生电路和第一MOS开关至第七MOS开关的控制电路，所述的控制方法包括以下步骤：

步骤一，在第一节拍时，控制电路控制第一MOS开关闭合、第二MOS开关、第三MOS开关、第四MOS开关、第五MOS开关、第六MOS开关和第七MOS开关打开；

步骤二，在第二节拍时，控制电路控制第一MOS开关和第七MOS开关闭合、第二MOS开关、第三MOS开关、第四MOS开关、第五MOS开关和第六MOS开关打开，并设置第一电流源的大小为N*I、第二电流源的大小为I，N为正数；

步骤三，在第三节拍时，控制电路控制第一MOS开关、第三MOS开关和第五MOS开关闭合、第二MOS开关、第四MOS开关、第六MOS开关和第七MOS开关打开，并设置第一电流源的大小为步骤二中第二电流源的大小I、第二电流源的大小为步骤二中第一电流源的大小N*I；

步骤四，在第四节拍时，控制电路控制第一MOS开关闭合、第二MOS开关、第三MOS开关、第四MOS开关、第五MOS开关、第六MOS开关和第七MOS开关打开；

步骤五，在第五节拍时，控制电路控制第一MOS开关和第六MOS开关闭合、第二MOS开关、第五MOS开关和第七MOS开关打开、第三MOS开关和第四MOS开关在第六节拍开始前闭合，并设置第一电流源的大小为步骤三中第一电流源的大小I、第二电流源的大小为步骤三中第二电流源的大小N*I；

步骤六，在第六节拍时，控制电路控制第二MOS开关闭合、第一MOS开关、第五MOS开关、第六MOS开关和第七MOS开关打开、第三MOS开关和第四MOS开关在闭合时间满一个节拍后打开，并设置第一电流源的大小为步骤五中第一电流源的大小I、第二电流源的大小为步骤五中第二电流源的大小N*I。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用DEM(Dynamic ElementMatching)技术，即动态单元匹配技术，能为一个较小的电压差ΔVbe产生一个精确的放大系数，即把ΔVbe信号在自调零开关电容电路中放大，并产生一个精确的与温度无关的基准电压和与温度成正比例变化的正温度系数电压，从而有效提高温度传感器的温度检测精度。

附图说明

图1是用于产生PTAT电压的DEM偏置电路的框图；

图2是本发明的CMOS开关电流温度传感器电路的框图；

图3是本发明的CMOS开关电流温度传感器电路中控制电路的原理图；

图4是本发明中第一MOS开关S1至第七MOS开关S7的工作时序图；

图5是本发明CMOS开关电流温度传感器电路在T2节拍时的等效电路图；

图6是本发明CMOS开关电流温度传感器电路在T3节拍时的等效电路图；

图7是本发明CMOS开关电流温度传感器电路在T5节拍时的等效电路图；

图8是本发明CMOS开关电流温度传感器电路在T6节拍时的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细介绍。

如图2、图3所示，本发明的一种CMOS开关电流温度传感器电路，包括电压产生电路1、运算放大器A0、输入电容C1、反馈电容C2、电阻分压器2、控制电路3和若干MOS开关，其中，若干MOS开关包括第一MOS开关S1至第七MOS开关S7。

电压产生电路1包括第一电流源i1、第二电流源i2、第一双极晶体管Q1和第二双极晶体管Q2，第一电流源i1和第二电流源i2的输入端同时与外部电源VDD连接，第一电流源i1的输出端与第一双极晶体管Q1的发射极连接，第二电流源i2的输出端与第二双极晶体管Q2的发射极连接，第一双极晶体管Q1的基极、集电极以及第二双极晶体管Q2的基极、集电极同时接地，电压产生电路1最终输出第一双极晶体管Q1的基极和发射极间的第一极间电压Vbe1以及第二双极晶体管Q2的基极和发射极间的第二极间电压Vbe2。

运算放大器A0的反相输入端通过输入电容C1和第一MOS开关S1与第一双极晶体管Q1的发射极连接，接收第一极间电压Vbe1，其同相输入端与第二双极晶体管Q2的发射极连接，接收第二极间电压Vbe2，其输出端分两路分别输出一基准电压Vref和一正温度系数电压Vptat。

反馈电容C2的一端与运算放大器A0的反相输入端连接，其另一端与电阻分压器2连接。

电阻分压器2包括串联连接的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的另一端与运算放大器A0输出端输出正温度系数电压Vptat的一路连接，第二电阻R2的另一端接地。

控制电路3分别与电压产生电路1以及第一MOS开关S1至第七MOS开关S7连接，一方面设置第一极间电压Vbe1和第二极间电压Vbe2的大小，另一方面控制第一MOS开关S1至第七MOS开关S7的开闭。

第一MOS开关S1串联在电压产生电路1和输入电容C1之间，第二MOS开关S2的一端与电压产生电路1连接，其另一端连接在输入电容C1和第一MOS开关S1之间，第三MOS开关S3的一端与反馈电容C2连接，其另一端连接到第一电阻R1和第二电阻R2之间，第四MOS开关串联在运算放大器A0的输出端和电阻分压器2之间，第五MOS开关S5串联在运算放大器A0输出端输出基准电压Vref的一路上，第六MOS开关S6的一端连接在反馈电容C2和第三MOS开关S3之间，其另一端接地，第七MOS开关S7的一端与运算放大器A0的同相输入端连接，另一端连接在第六MOS开关与反馈电容C2之间。

上述电路主要是基于DEM技术，该技术原理可如图1所示，图中包括一对开关控制电流流向晶体管Q1’、Q2’；在前一个节拍，控制电流源I的电流流向晶体管Q2’的发射极，电流源NI的电流流向晶体管Q1’的发射极，此时，晶体管Q2’的发射极和基极间的电压和晶体管Q1’的发射极和基极间的电压之差ΔVBE＝VBE2(I)-VBE1(NI)；在后一节拍，电流源NI的电流流向晶体管Q2’的发射极，电流源I的电流流向晶体管Q1’的发射极，晶体管Q2’的发射极和基极间的电压和晶体管Q1’的发射极和基极间的电压之差ΔVBE＝VBE2(NI)-VBE1(I)。通过动态地相互交换晶体管Q1’、Q2’的位置，使晶体管Q1’、Q2’的残余失配大大减小，相对误差也大大减小，即电压之差ΔVBE较小，而又因为PTAT电压主要由电流密度比和放大系数决定，即VPTAT＝A*ΔVBE＝A*kT/q*((Ic2/Ic1)*(Is1/Is2))，其中，A为放大系数，k为比例系数，T为绝对温度，q为电子的电量，Ic1为晶体管Q1’的集电极电流，Ic2为晶体管Q2’的集电极电流，Is1为晶体管Q1’的饱和电流，Is2为晶体管Q2’的饱和电流，因此通过DEM技术，最终可以产生一个与温度成正比例变化的电压，以提高温度传感器的温度检测精度。

请参阅图4至图8，基于上述原理，本发明的一种对于上述CMOS开关电流温度传感器电路的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在第一节拍T1时，控制电路3控制第一MOS开关S1闭合、第二MOS开关S2、第三MOS开关S3、第四MOS开关S4、第五MOS开关S5、第六MOS开关S6和第七MOS开关S7打开，此时，基准电压Vref和正温度系数电压Vptat尚未建立，无输出电压。

步骤二，在第二节拍T2时，控制电路3控制第一MOS开关S1和第七MOS开关S7闭合、第二MOS开关S2、第三MOS开关S3、第四MOS开关S4、第五MOS开关S5和第六MOS开关S6打开，使此时的CMOS开关电流温度传感器电路的等效电路如图5所示，同时，控制电路3设置第一电流源i1的大小为N*I、第二电流源i2的大小为I，N为正数；此时，第一极间电压Vbe1的值为Vbe1(N*I)，第二极间电压Vbe2的值为Vbe2(I)，第二极间电压Vbe2应用于运算放大器A0的同相输入端，此时运算放大器A0接成电压跟随器形式，输入电容C1上的电压值为Vbe2(I)-Vbe1(N*I)+Vos，其中，电压Vos是运算放大器A0的输入失调电压。

步骤三，在第三节拍T3时，控制电路3控制第一MOS开关S1、第三MOS开关S3和第五MOS开关S5闭合、第二MOS开关S2、第四MOS开关S4、第六MOS开关S6和第七MOS开关S7打开，使此时的CMOS开关电流温度传感器电路的等效电路如图6所示，同时，控制电路3设置第一电流源i1的大小为步骤二中第二电流源i2的大小I、第二电流源i2的大小为步骤二中第一电流源i1的大小N*I；此时，第一极间电压Vbe1的值为Vbe1(I)，第二极间电压Vbe2的值为Vbe2(N*I)；输出电容C1上的电荷转移到反馈电容C2上，转移的电荷量是2*(Vbe2(N*I)-Vbe1(I))，而失调电压Vos依旧在输出电容C1上，转移的电荷量让反馈电容C2上的电压增加了2*(Vbe2(N*I)-Vbe1(I))*(C1/C2)；在运算放大器A0反相输入端的电压是Vbe2(N*I)+Vos。在第三节拍结束后，电路输出的基准电压Vref与失调电压Vos无关，因为失调电压Vos在第二节拍已经被反馈电容C2采样过，可以被减去。因而最终的输出的基准电压Vref＝Vbe2(N*I)+Vos+2*(Vbe2(N*I)-Vbe1(I))*(C1/C2)，该表达式中包含一个PTAT项(Vbe2(N*I)-Vbe1(I))和一个CTAT(Complementary To Absolute Temperature，与绝对温度成反比)项Vbe2(N*I)，因此，通过选择合适的N和C1/C2的大小可以使基准电压Vref与温度无关。

步骤四，在第四节拍T4时，控制电路3控制第一MOS开关S1闭合、第二MOS开关S2、第三MOS开关S3、第四MOS开关S4、第五MOS开关S5、第六MOS开关S6和第七MOS开关S7打开，此时，基准电压Vref的值保持前一个节拍的值，正温度系数电压Vptat尚未建立。

步骤五，在第五节拍T5时，控制电路3控制第一MOS开关S1和第六MOS开关S6闭合、第二MOS开关S2、第五MOS开关S5和第七MOS开关S7打开、第三MOS开关S3和第四MOS开关S4在第六节拍T6开始前闭合，使此时的CMOS开关电流温度传感器电路的等效电路如图7所示，同时，控制电路3设置第一电流源i1的大小为步骤三中第一电流源i1的大小I、第二电流源i2的大小为步骤三中第二电流源i2的大小N*I；此时，第一极间电压Vbe1的值为Vbe1(I)，第二极间电压Vbe2的值为Vbe2(N*I)，输出电容C1上的电压值为Vbe2(N*I)-Vbe1(I)，反馈电容C2上的电压值为Vbe2(N*I)+Vos。

步骤六，在第六节拍T6时，控制电路3控制第二MOS开关S2闭合、第一MOS开关S1、第五MOS开关S5、第六MOS开关S6和第七MOS开关S7打开、第三MOS开关S3和第四MOS开关S4在闭合时间满一个节拍后打开，使此时的CMOS开关电流温度传感器电路的等效电路如图8所示，同时，控制电路3设置第一电流源i1的大小为步骤五中第一电流源i1的大小I、第二电流源i2的大小为步骤五中第二电流源i2的大小N*I；此时，第一极间电压Vbe1的值为Vbe1(I)，第二极间电压Vbe2的值为Vbe2(N*I)，第一极间电压Vbe1与第二极间电压Vbe2的电压差ΔVbe＝Vbe2(N*I)-Vbe1(I)，与该电压差ΔVbe成正比的电荷从输出电容C1转移到反馈电容C2上，运算放大器A0反相输入端的电压保持为Vbe2(N*I)+Vos，而由于反馈电容C2在第五节拍T5里已经采样过失调电压Vos，因此，该失调电压Vos在整个电路输出时被减去，即传感器电路最终输出的正温度系数电压Vptat＝2*k*(C1/C2)*ΔVbe，其中，k为比例系数(k可以通过改变电阻分压器2里的第一电阻R1的大小或改变电容比C1/C2的值的大小来调节；最好选择改变第一电阻R1的大小，因为这样可以使电容比C1/C2专门用来提供与温度无关的基准电压Vref)，上述表达式中的电压差ΔVbe使得正温度系数电压Vptat成为一个与温度成正比例变化的电压。

因此，本发明的传感器电路可以通过采用上述的DEM技术，能为一个较小的电压差ΔVbe产生一个精确的放大系数，即把ΔVbe信号在自调零开关电容电路中放大，并产生一个精确的与温度无关的基准电压Vref和与温度成正比例变化的正温度系数电压Vptat，从而有效提高温度传感器的温度检测精度。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种CMOS开关电流温度传感器电路，其特征在于，所述的电路包括电压产生电路、运算放大器、输入电容、反馈电容、电阻分压器、控制电路和若干MOS开关，

所述电压产生电路与一外部电源连接，输出第一极间电压和第二极间电压；

所述运算放大器的反相输入端通过所述输入电容与电压产生电路连接，接收所述的第一极间电压，其同相输入端接收所述的第二极间电压，其输出端分两路分别输出一基准电压和一正温度系数电压；

所述电阻分压器包括三个接线端口，即两边各一个端口和中间一个端口；

所述反馈电容的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，其另一端与所述电阻分压器的中间端口连接；

所述电阻分压器的两边端口中，一端与所述运算放大器输出端输出正温度系数电压的一路连接，其另一端接地；

所述控制电路分别与所述电压产生电路和若干MOS开关连接，一方面设置所述第一极间电压和第二极间电压的大小，另一方面控制所述MOS开关的开闭；

所述若干MOS开关包括第一MOS开关至第七MOS开关，所述第一MOS开关串联在所述电压产生电路和输入电容之间，第二MOS开关的一端与所述电压产生电路连接，其另一端连接在所述输入电容和第一MOS开关之间，第三MOS开关串联在所述反馈电容和电阻分压器之间，第四MOS开关串联在所述运算放大器的输出端和电阻分压器之间，第五MOS开关串联在所述运算放大器输出端输出基准电压的一路上，第六MOS开关的一端连接在所述反馈电容和第三MOS开关之间，其另一端接地，第七MOS开关的一端与所述运算放大器的同相输入端连接，另一端连接在所述第六MOS开关与反馈电容之间。

2.根据权利要求1所述的CMOS开关电流温度传感器电路，其特征在于，电压产生电路包括第一电流源、第二电流源、第一双极晶体管和第二双极晶体管，所述第一电流源和第二电流源的输入端同时与所述的外部电源连接，所述第一电流源的输出端与第一双极晶体管的发射极连接，所述第二电流源的输出端与第二双极晶体管的发射极连接，所述第一双极晶体管的基极、集电极以及第二双极晶体管的基极、集电极同时接地。

3.根据权利要求2所述的CMOS开关电流温度传感器电路，其特征在于，所述运算放大器的反相输入端依次通过所述输入电容和第一MOS开关与第一双极晶体管的发射极连接，其同相输入端与所述第二双极晶体管的发射极连接。

4.根据权利要求1所述的CMOS开关电流温度传感器电路，其特征在于，所述的电阻分压器包括串联连接的第一电阻和第二电阻，且所述第三MOS开关连接到所述第一电阻和第二电阻之间。

5.一种CMOS开关电流温度传感器电路的控制方法，所述传感器电路包括电压产生电路、第一MOS开关至第七MOS开关以及控制该电压产生电路和第一MOS开关至第七MOS开关的控制电路，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤：

步骤一，在第一节拍时，控制电路控制第一MOS开关闭合、第二MOS开关、第三MOS开关、第四MOS开关、第五MOS开关、第六MOS开关和第七MOS开关打开；

步骤二，在第二节拍时，控制电路控制第一MOS开关和第七MOS开关闭合、第二MOS开关、第三MOS开关、第四MOS开关、第五MOS开关和第六MOS开关打开，并设置第一电流源的大小为N*I、第二电流源的大小为I，N为正数；

步骤三，在第三节拍时，控制电路控制第一MOS开关、第三MOS开关和第五MOS开关闭合、第二MOS开关、第四MOS开关、第六MOS开关和第七MOS开关打开，并设置第一电流源的大小为步骤二中第二电流源的大小I、第二电流源的大小为步骤二中第一电流源的大小N*I；

步骤四，在第四节拍时，控制电路控制第一MOS开关闭合、第二MOS开关、第三MOS开关、第四MOS开关、第五MOS开关、第六MOS开关和第七MOS开关打开；

步骤五，在第五节拍时，控制电路控制第一MOS开关和第六MOS开关闭合、第二MOS开关、第五MOS开关和第七MOS开关打开、第三MOS开关和第四MOS开关在第六节拍开始前闭合，并设置第一电流源的大小为步骤三中第一电流源的大小I、第二电流源的大小为步骤三中第二电流源的大小N*I；

步骤六，在第六节拍时，控制电路控制第二MOS开关闭合、第一MOS开关、第五MOS开关、第六MOS开关和第七MOS开关打开、第三MOS开关和第四MOS开关在闭合时间满一个节拍后打开，并设置第一电流源的大小为步骤五中第一电流源的大小I、第二电流源的大小为步骤五中第二电流源的大小N*I。

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