CN102435336B - 具有双精度工作模式的可编程cmos温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，包括：传感器前端电路，用于在控制电路产生的控制信号的作用下产生与温度相关的电压信号，并将该与温度相关的电压信号输出给双精度sigma-delta ADC；双精度sigma-delta ADC，用于在控制电路产生的控制信号的作用下将该与温度相关的电压信号转变为包含有温度信息的数字输出信号；控制电路，用于协调传感器前端电路和双精度sigma-delta ADC的工作，并产生动态匹配、斩波和工作模式选择所需的控制信号。该温度传感器包括两种工作模式：低精度工作模式和高精度工作模式。在这两种工作模式下，其测温范围均可编程，通过这种独特的双精度工作模式，降低了对传感器对ADC分辨率的要求，从而节省了功耗。

Description

具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是一种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器。该温度传感器可应用于具有低功耗需求的芯片电路系统，如无源超高频RFID标签芯片系统。

背景技术

在无源超高频RFID标签芯片里嵌入各种传感器，将既可以实现传统的无线身份识别功能，又可以实现各种传感数据的自动采集、记录和传输，这种标签也可认为是具有身份识别功能的无源无线传感器节点。传感器技术与RFID技术的结合将可以增强传统标签的功能，拓展RFID标签的应用范围。

在嵌入温度传感器的无源无线传感器节点或者有温度测量需求的无源超高频RFID标签中，通常要求芯片具有较高的能量效率，较低的功耗和较低的测试成本。这就要求所设计的温度传感器在满足测量精度的同时具有较低的功耗，较小的面积且只需在一个温度点处校准。

由于无源超高频RFID标签芯片是通过吸收阅读器发射的电磁波进行工作的，这要求嵌入的温度传感器必须具有较高的能量效率和较低的功耗，因此大部分标签中的温度传感器都采用了时域-数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)电路来代替传统温度传感器中的高能耗ADC电路。这类温度传感器的特点是具有极低的功耗，但缺点是测量精度较差，误差较大且抗共模噪声的能力较弱，此外还需要在两个温度点校准，大大增加了测试的成本。

而嵌入ADC电路的温度传感器的特点是测量精度较高，误差较小，且只需要在一个温度点处校准，由于可采用多种提高电路匹配的技术及差分电路结构，其抗噪声和共模干扰的能力也较强。

因此，为了同时达到较高的温度测量性能，较低的功耗和较低的测试成本，需要设计一种含有ADC电路且具有低功耗特点的温度传感器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

在温度传感器的应用中，针对不同的测温范围，一般其测温要求是不一样的。通常来说，对于较小的温度测量范围，传感器的精度要求一般较高，这要求传感器具有较高的温度测量分辨率和较小的测量误差。而对于较宽的温度测量范围，传感器的精度要求一般可以适当降低，这就降低了传感器的分辨率和测量误差的要求。

因此本发明利用了上述应用特点，提供了一种嵌入ADC的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器。该温度传感器具有双精度的工作模式，降低了传感器的功耗，也减小了芯片的面积。此外，该传感器还具有测试精度高，校准成本低的特点，适合于使用在无源超高频RFID标签芯片中。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，该温度传感器包括传感器前端电路、双精度sigma-deltaADC和控制电路，其中：传感器前端电路，用于在控制电路产生的控制信号的作用下产生与温度相关的电压信号，并将该与温度相关的电压信号输出给双精度sigma-delta ADC；双精度sigma-delta ADC，用于在控制电路产生的控制信号的作用下将该与温度相关的电压信号转变为包含有温度信息的数字输出信号；控制电路，用于协调传感器前端电路和双精度sigma-delta ADC的工作，并产生动态匹配、斩波和工作模式选择所需的控制信号。

上述方案中，所述传感器前端电路由电流大小为nI_b的电流源偏置的第一PNP双极型晶体管(Q₁)和电流大小为I_b的电流源偏置的第二PNP双极型晶体管(Q₂)构成，其中第一PNP双极型晶体管(Q₁)的基极与发射极之间的电压差为V_BE1，第二PNP双极型晶体管(Q₂)的基极与发射极之间的电压差为V_BE2。

上述方案中，所述双精度sigma-delta ADC包括双精度sigma-delta调制器、抽取滤波器和时钟信号发生器，其中：sigma-delta调制器，用于将所述与温度相关的电压信号调制成数据位宽为1bit的数据流，并输出给抽取滤波器；抽取滤波器，用于将所述数据位宽为1bit的数据流转变为数据位宽为10bit含有温度信息的数字输出信号；时钟信号发生器，用于给sigma-delta调制器提供时钟信号。

上述方案中，所述sigma-delta调制器还用于实现温度传感器两种工作模式的切换，该两种工作模式为低精度工作模式和高精度工作模式。所述sigma-delta调制器将由所述与温度相关的电压信号V_BE1和V_BE2及可编程的整数A，B所产生的信号η＝(X-B)/(A-B)转换为包含温度信息的数字信号，其中X＝V_BE/ΔV_BE，V_BE＝V_BE1或V_BE2，ΔV_BE＝V_BE1-V_BE2，A，B为可编程的整数且A＞B。在低精度工作模式下A-B取较大的值，在高精度工作模式下A-B取较小的值，通过改变A-B的值实现温度传感器测温范围的可编程。

上述方案中，所述sigma-delta调制器包括积分器、带时钟输入端口的比较器和1位DAC，其中比较器根据积分器的输出电压在每个时钟周期输出1位数据，当输出的数据为1时，该sigma-delta调制器将AΔV_BE从V_BE中减去后将差值输入积分器；当输出数据为0时，该sigma-delta调制器将BΔV_BE从V_BE中减去后将差值输入积分器。所述sigma-delta调制器采用全差分的开关电容电路实现，该全差分电路包含两组采样电容。所述sigma-delta调制器中的积分器为两级积分器，在所述两级积分器的的第一级积分器中，V_BE1，V_BE2和电路的“地”通过开关电路选择性的与采样电容中的一个端口相连接。在第一级积分器的其中一组采样电容中：在采样模式下，V_BE2通过开关电路选择性的与采样电容相连接；在积分模式下，电路的“地”通过开关电路与采样电容中的一个电容相连接，V_BE1通过开关电路选择性的与采样电容中的其他电容相连接。

(三)有益效果

从上述技术方案中可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，具有双精度的工作模式，因此降低了对传感器中ADC的分辨率要求，简化了ADC电路的设计，降低了ADC的功耗，加快了ADC的转换速度，从而降低了传感器的整体功耗，减小了芯片的面积。

2、本发明提供的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，包含了ADC电路，因此便于采用各种成熟的技术将ADC所引入的测量误差降低到可以忽略的水平，使得只需在一个温度点处对传感器进行校准就能达到测量的要求，降低了芯片测试的成本。

3、本发明提供的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，在ADC电路中使用了全差分的开关电容电路，因此便于采用各种成熟的技术来降低ADC电路所引入的误差，提高传感器抗共模噪声的能力。

4、本发明提供的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，在调制器中实现了两种工作模式的切换且具有良好的可编程特性，使得传感器的温度测量方式更加灵活。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明：

图1为依照本发明实施例的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器的结构示意图。

图2是依照本发明实施例的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器中用于产生随温度变化的电压信号的传感器前端电路的示意图。

图3为本发明所提出sigma-delta调制器的典型实施例在低精度模式下的工作原理图。

图4为本发明所提出sigma-delta调制器的典型实施例在高精度模式下的工作原理图。

图5是本发明所提出sigma-delta调制器的典型电路实现方式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为了使得温度传感器达到可靠及良好的温度测量性能，通常需要在其中嵌入ADC电路，而为了尽可能降低ADC电路的功耗，本发明提出了一种具有双精度工作模式的温度传感器，降低了对ADC电路的分辨率要求，可以在满足测量要求的同时简化电路设计，降低传感器功耗。该温度传感器电路适合于在有低功耗需求的无源超高频电子标签芯片中使用。

本发明提供的这种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，该温度传感器包括了两种工作模式：低精度工作模式和高精度工作模式。在低精度工作模式下，其测量温度范围较宽，测量分辨率较低，测量误差较大；在高精度工作模式下，其测量温度范围较小，测量分辨率较高，测量误差较小。在这两种工作模式下，其测温范围均可编程，通过这种独特的双精度工作模式，降低了对传感器对ADC分辨率的要求，从而节省了功耗。该温度传感器在一个温度点处校准后即可正常工作，当在多个温度点处校准后，其测量误差可进一步减小。

图1为依照本发明实施例的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器的结构示意图。它主要由基于衬底PNP管的传感器前端电路1，双精度sigma-delta ADC 2和控制电路组成3。传感器前端电路主要用于产生与温度相关的电压信号；双精度sigma-delta ADC负责将与温度相关的电压信号转变为包含有温度信息的数字信号；控制电路主要用于协调各个电路模块的工作并负责产生动态匹配、斩波和工作模式选择等操作所需的控制信号。其中双精度sigma-delta ADC由双精度sigma-delta调制器4，抽取滤波器5和时钟信号发生器6组成。其中sigma-delta调制器主要负责将与温度相关的电压信号调制成数据位宽为1bit的数据流，该数据流经过抽取滤波器后转变为数据位宽为10bit含有温度信息的数字输出信号。时钟信号发生器主要负责给sigma-delta调制器提供各种时钟信号。

图2给出了依照本发明实施例的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器中用于产生随温度变化的电压信号的传感器前端电路的示意图。该传感器前端电路由电流大小分别为nI_b和I_b的两个电流源所分别偏置的两个PNP双极型晶体管Q₁和Q₂组成，其中晶体管Q₁和Q₂的基极和发射极之间的电压差分别为V_BE1和V_BE2。

对于PNP管，其BE结的电压差V_BE可以表示为

$\underset{\‾}{V_{\mathrm{BE}}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \frac{I_C}{I_S}---\left(1\right)}$

其中K为波尔兹曼常数，q为电子的电荷量，T为绝对温度，I_C为流过集电极的电流，I_S为PNP管的饱和电流。由于I_S随温度的增加而增加且受温度的影响较大，因此V_BE将随着温度的增加而减小，V_BE具有负的温度系数，其温度系数的典型值约为-2mV/℃。

对于采用比例电流源偏置的一对衬底PNP管，其V_BE之差可表示为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}=V_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln n---\left(2\right)$

其中n是比例电流源的比值。从上式(2)可以看出ΔV_BE与绝对温度成正比，具有正的温度系数，假设n＝6，则其温度系数约为0.16mV/℃。

通过将ΔV_BE与V_BE按照一定的比例系数组合，就可以得到不随温度变化的带隙基准源：

V_REF＝V_BE+αΔV_BE        (3)

按照以上ΔV_BE和V_BE的温度系数可计算出α约等于12.5，而带隙基准源电压V_REF约为1.2V。

从图2中可以看出V_REF是几乎不随温度变化的电压信号，而αΔV_BE则是与温度成正比的电压信号，且αΔV_BE＜V_REF，这样就可以利用ADC将αΔV_BE与V_REF的比值转换为数字信息。

从(2)式和(3)式可以得到温度与ΔV_BE和V_REF的关系：

$T=L\frac{\mathrm{\α\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{REF}}}=\mathrm{L\μ}---\left(4\right)$

其中L＝(V_REF/α)·q/(Klnn)≈600，因此(4)式中的μ就包含了温度的信息。

当温度从0℃变化到600℃时，将μ从0变化到1。因此，如果利用ADC直接对μ进行数字量化，要达到0.02℃(0.2℃)的分辨率，则ADC的分辨率需要达到15bit(12bit)，这对于低功耗无源RFID标签芯片来说是不可接受的。

因此，为了降低温度传感器对ADC分辨率的要求，本发明提出了另一种方法来进行温度信息的数字量化。

首先定义X＝V_BE/ΔV_BE，由于V_BE具有负温度系数，而ΔV_BE具有正温度系数，因此当温度升高时，X减小；当温度降低时，X增大。则(4)式可表示为：

$\underset{\‾}{T=L\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}+X}---\left(5\right)}$

由于α，L都是常数，X和T是一一对应的，因此可以通过对X的测量来实现对温度T的测量。假设当温度从T_L变化到T_H时(T_H＞T_L)，X从X_H变化到X_L(X_H＞X_L)，则X可以变换为：

$\mathrm{\η}=\frac{X-X_L}{X_H-X_L}---\left(6\right)$

从上式(6)可以看出，当温度从T_L变化到T_H时，η将从1变化到0，因此如果采用ADC对η进行量化，只要T_H-T_L＜＜600℃，那么对ADC分辨率的要求就可大大降低，且这个要求将随着T_H-T_L的减小而降低。当T_H-T_L＝10℃时，要达到0.02℃的分辨率，则ADC的分辨率仅需达到9bit；当T_H-T_L＝80℃时，要达到0.2℃的分辨率，则ADC的分辨率仅需达到9bit。

基于以上原理，本发明提出了一种具有双精度工作模式的温度传感器。该传感器在sigma-delta调制器中将信号η＝(X-B)/(A-B)转换为包含温度信息的数字信号，其中X＝V_BE/ΔV_BE(V_BE＝V_BE1或者V_BE2，ΔV_BE＝V_BE1-V_BE2)，A，B为可编程的整数(A＞B)，通过合理选择A和B的值，使得X的值在A和B之间。

此外，在低精度工作模式下A-B取较大的值，在高精度工作模式下A-B取较小的值。在低精度工作模式下，其测量范围较宽；在高精度模式下，测量范围较小；该传感器还可以通过对A，B的编程来对测量范围进行编程。这样即可以满足一般温度测量的要求，也可以降低温度传感器对ADC分辨率的要求，从而简化电路的设计，加快ADC转换速度，降低温度传感器整体功耗，使其满足无源超高频RFID标签芯片的要求。这两种工作模式将在sigma-delta调制器里实现切换。

图3和图4分别给出了在低精度工作模式和高精度工作模式下sigma-delta调制器的一个典型实施例，为了便于说明，这里只给出了一阶调制器的示意图，在实际电路中可以采用更高阶的调制器。整个调制器由积分器7(10)，比较器8(11)和1位反馈DAC 9(12)构成，该调制器是一个带反馈机制的电路系统，该电路能够整形量化噪声但不会削弱有用信号，因此可以实现比一般过采样ADC更高的精度。在每一个sigma-delta周期(与clk信号的周期相同)，比较器将输出1bit数据。

在低精度工作模式下，该调制器取A＝24，B＝5。假设5ΔV_BE＜X＜24ΔV_BE，如果sigma-delta调制器的输出信号bs为1，则将24ΔV_BE与V_BE2相减，然后将差值V_x送入积分器；如果bs为0，则将5ΔV_BE与V_BE2相减，然后将差值V_x送入积分器。比较器根据积分器的输出电压在每个时钟周期输出1位数据。由于反馈系统的作用，在经过若干时钟周期后，积分器输入电压V_x的平均值近似为0。如果将sigma-delta调制器所输出的数据位宽为1bit的数据流的平均值表示为η，则可以得出公式(7)：

(24Δ_BE-V_BE2)η＝(V_BE2-5ΔV_BE)(1-η)       (7)

由上式可得公式(8)：

$\mathrm{\η}=\frac{V_{\mathrm{BE}2}-5\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{19\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}=\frac{X-5}{19}---\left(8\right)$

通过(8)式就可以把X算出来，再通过(5)式就可以得到温度的信息。

在高精度模式下，该调制器取A＝N+2，B＝N，其中N为整数。假设NΔV_BE＜X＜(N+2)Δ_BE，如果bs为1，则将(N+2)Δ_BE与V_BE2相减，然后将差值V_x送入积分器；如果bs为0，则将NΔV_BE与V_BE2相减，然后将差值V_x送入积分器。根据上述相同的原理可以得出公式(9)：

$\mathrm{\η}=\frac{V_{\mathrm{BE}2}-\mathrm{N\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{2\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}=\frac{X-N}{2}---\left(9\right)$

通过(9)式就可以把X算出来，再通过(5)式就可以得到温度的信息。

图5给出了该sigma-delta调制器的一种电路实现方式及电路中相关信号的时序图。其中信号clk1d相对于信号clk1具有一定时间的延迟；信号clk2d相对于信号clk2具有一定时间的延迟；信号clkf1d相对于信号clkf1具有一定时间的延迟；信号clkf2d相对于信号clkf2具有一定时间的延迟。调制器的核心电路由两级开关电容积分器和一个时钟控制的比较器组成，为了减小电源电压噪声、衬底噪声、电荷注入、偶次谐波失真等非理想因素的影响，采用了全差分的开关电容电路。此外，为了保证二阶电路的稳定性，从第一级积分器的输入端向第二级积分器的输入端引入了一个前馈支路。

电容C_S0至C_S26为第一级积分器的采样电容；电容C_F是第二级积分器的采样电容；电容C_B0至C_B24为前馈电容。采样电容的大小主要是由ADC的分辨率要求、电路的噪声特性及sigma-delta周期数决定的。C_int1为第一级积分器的积分电容，C_int2为第二级积分器的积分电容。控制信号DEM[24:0](DEM[49:25])主要用于选择ΔV_BE(V_BE2)所对应的采样电容的个数，这样就可以从5ΔV_BE，24ΔV_BE，NΔV_BE和(N+2)ΔV_BE中选出一个信号与V_BE2相减，从而实现工作模式的选择。这两个控制信号还可以交替的选择采样电容，以此来实现动态匹配技术，减小采样电容的失配所带来的影响。

由于该温度传感器中设计了双精度的工作模式，因此对ADC的分辨率要求有所降低，这样在第一级积分器中采用具有80dB增益的运算放大器就可以满足设计的要求，因此只需采用折叠式Cascode结构的运放即可达到设计要求，而不需要采用复杂的Gain-boost技术，这样就大大降低了芯片的面积和功耗。

Sigma-delta调制器在开始工作前首先对积分电容C_int1和C_int2进行复位的操作。接下来在每一个Sigma-delta周期里，均包含了第一积分器的采样和积分操作，二级积分器的采样和积分操作及比较器的数据输出操作。下面按照电荷的流动方向介绍调制器的工作原理。

首先在clk₁的上升沿处第一级积分器开始进行信号采样，在clk₁的下降沿处结束信号采样；然后在clk₂的上升沿处第一级积分器开始积分，完成图3或图4中的作差功能；接下来在clkf2的上升沿处第二级积分器开始进行信号采样，在clkf2的下降沿处结束信号采样；然后在clkf1的上升沿处第二级积分器开始积分，在clkf1的下升沿处积分结束；最后在Φ的上升沿由比较器对第二级积分器的输出进行比较并输出当前sigma-delta周期的1bit数据。

这个二阶的调制器将在每一次数据转换过程中运行128个sigma-delta周期，产生128bit的数据，然后将这些数据送入一个sinc²数字滤波器就可以得到包含温度信息的10bit数据，将这个数据除以1024就得到了(8)式(9)式中的η，然后再结合(5)式就可以得到温度的信息。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，该温度传感器包括传感器前端电路、双精度sigma-delta ADC和控制电路，其中：

传感器前端电路，用于在控制电路产生的控制信号的作用下产生与温度相关的电压信号，并将该与温度相关的电压信号输出给双精度sigma-delta ADC；

双精度sigma-deltaADC，用于在控制电路产生的控制信号的作用下将该与温度相关的电压信号转变为包含有温度信息的数字输出信号；

控制电路，用于协调传感器前端电路和双精度sigma-delta ADC的工作，并产生动态匹配、斩波和工作模式选择所需的控制信号；

其中，所述双精度sigma-delta ADC包括双精度sigma-delta调制器、抽取滤波器和时钟信号发生器，其中：sigma-delta调制器，用于将所述与温度相关的电压信号调制成数据位宽为1bit的数据流，并输出给抽取滤波器；抽取滤波器，用于将所述数据位宽为1bit的数据流转变为数据位宽为10bit含有温度信息的数字输出信号；时钟信号发生器，用于给sigma-delta调制器提供时钟信号；

所述sigma-delta调制器还用于实现温度传感器两种工作模式的切换，该两种工作模式为低精度工作模式和高精度工作模式；

所述传感器前端电路由电流大小为nI_b的电流源偏置的第一PNP双极型晶体管(Q₁)和电流大小为I_b的电流源偏置的第二PNP双极型晶体管(Q₂)构成，其中第一PNP双极型晶体管(Q₁)的基极与发射极之间的电压差为V_BE1，第二PNP双极型晶体管(Q₂)的基极与发射极之间的电压差为V_BE2；

所述sigma-delta调制器将由所述与温度相关的电压信号V_BE1和V_BE2及可编程的整数A，B所产生的信号η＝(X-B)/(A-B)转换为包含温度信息的数字信号，其中X＝V_BE/ΔV_BE，V_BE＝V_BE1或V_BE2，ΔV_BE＝V_BE1-V_BE2，A，B为可编程的整数且A＞B，ΔV_BE为V_BE1与V_BE2之差；

在低精度工作模式下A-B取较大的值，在高精度工作模式下A-B取较小的值，通过改变A-B的值实现温度传感器测温范围的可编程。

2.根据权利要求1所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述sigma-delta调制器包括积分器、带时钟输入端口的比较器和1位DAC，其中比较器根据积分器的输出电压在每个时钟周期输出1位数据，当输出的数据为1时，该sigma-delta调制器将AΔV_BE从V_BE中减去后将差值输入积分器；当输出数据为0时，该sigma-delta调制器将BΔV_BE从V_BE中减去后将差值输入积分器。

3.根据权利要求2所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述sigma-delta调制器采用全差分的开关电容电路实现，该全差分电路包含两组采样电容。

4.根据权利要求3所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述sigma-delta调制器中的积分器为两级积分器，在所述两级积分器的第一级积分器中，V_BE1，V_BE2和电路的“地”通过开关电路选择性的与采样电容中的一个端口相连接。

5.根据权利要求4所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，在所述sigma-delta调制器的第一级积分器中的其中一组采样电容中：在采样模式下，V_BE2通过开关电路选择性的与采样电容相连接；在积分模式下，电路的“地”通过开关电路与采样电容中的一个电容相连接，V_BE1通过开关电路选择性的与采样电容中的其他电容相连接。

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