CN102589734B - 温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种温度传感器，包括：基准产生电路，用于产生感测温度的BE结温度感测电压和参考电压；信号放大电路，包括第一放大器，第二放大器、第三放大器和第一加法器，用于对BE结温度感测电压和参考电压进行放大及相加的处理并输出包含BE结温度感测电压与参考电压的和信号以及参考电压的放大信号的两路信号；模数转换电路，用于进行模数转换产生代表两路信号比值的数字信号。相较于现有技术，本发明通过共用基准产生电路生成的参考电压和双极晶体管BE结电压来检测温度，从而消除了多余的电流镜失配对BE结电压的影响，提高了温度传感器的精度并节省了功耗和面积，减小了双极晶体管的工艺容差对传感器精度的影响。

Description

温度传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别地，更涉及一种基于CMOS的温度传感器。

背景技术

在工农业生产监控、环境控制和科学研究等很多领域，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，而其中的集成温度传感器主要由温度传感、基准电路、AD转换器、控制电路等构成，与传统温度传感器相比，具有灵敏度高、体积小、功耗低、输出特性好、可直接与数字系统连接等优点。

目前主要有两种方式实现集成温度传感器的温度检测。

图1显示了目前常用的一种温度传感器，该温度传感器具有如图1所示连接的双极晶体管，两个双极晶体管的基极(B极)和发射极(E极)之间分别产生与温度有关的BE结电压，V_BE1和V_BE2，两个BE结电压V_BE1、V_BE2经过增益系数为α的运算放大器得到一个与温度成线性关系的电压V_PTAT，V_PTAT电压与BE结电压V_BE1经过加法器相加后，得到一个不随温度变化的基准电压V_REF，将这与温度成线性关系的电压V_PTAT和不随温度变化的基准电压V_REF两个电压信号输入到模数转换器(ADC)中，实现温度的数字读取。

在如1所示的温度传感器中，ADC的输入分别是V_PTAT和V_REF。其中：

V_PTAT＝V_BE2-V_BE1；

V_REF＝V_BE1+V_PTAT；

图1所示的温度传感器结构简单、易于实现，但其检测精度不高，且需加载复杂电路。

图2显示了另一种温度传感器，该温度传感器的参考电压生成原理与图1所示的温度传感器相同，如图2所示的温度传感器通过第三个三极晶体管生成第三个与温度有关的BE结电压V_BE3，模数转换器(ADC)的输入分别是V_BE3和V_REF，实现温度的数字读取。V_BE3引起的曲率非线性的温度变化导致比较大的温度偏差，图4(a)为测试的传感器的温度输出误差曲线，图4(b)为校正曲线，图4(c)为校正补偿后的温度输出误差曲线。上述补偿算法可以通过软件或者数字逻辑实现。优点在于：结构简单，对偏置电流的误差、运放的输入失调电压较不敏感，通过补偿算法消除了V_BE(包括基准电压V_REF中的BE结和感测温度部分的BE结)二阶项所引起的温度非线性，提高了传感器的精度。但其缺点在于：需要测试出温度的误差曲线，需要使用单片机或者额外的数字电路才能实现补偿算法，无法消除或者减小双极晶体管工艺容差对温度精度的影响。

图5显示的是一种基于图1的改进的温度传感器，如图5所示，所述温度传感器包括一个带隙基准电压源BandGap电路102，检测温度电路104产生一个与温度成线性关系的电压V_PTAT，第二个检测温度电路106产生一个与温度成线性关系的校正电压V_CORR，与102经过相加电路108产生一个双曲线形状的参考电压V_HR，通过放大电路110将V_HR缩小C倍为Vo，Vo与V_PTAT经过模数转换电路112产生了代表它们比值关系V_PTAT/Vo的数字信号，再经过相加电路114和116产生最终输出的温度值Tout(C)，图6中V_CORR、C和K的取值是根据对V_TEMP/V_HR二阶求导为0推导出来的。所述温度传感器的优点在于：采用了第二种温度检测方式，通过两个不同V_BE电压之差的变化检测温度，消除了双极晶体管工艺容差对温度精度的影响，是高精度温度传感器所采用的主流架构。将传统的抛物线形状的一阶带隙基准电压源通过计算推导改为随温度略向上升的双曲形状的参考电压源，在不使用复杂的带二阶补偿电路的带隙基准电压源的条件下消除了一阶带隙基准电压源中V_BE的曲率对温度传感器精度造成的影响。其缺点在于：所述专利只适用于第二种温度检测方式，该方式所产生的与温度成线性关系的检测温度电压，需采用动态匹配，斩波归零等技术消除或减弱双极晶体管对的失配，电流镜的失配和运放的输入失调电压这些非理想因素的影响，电路结构复杂。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高精度温度传感器，以消除多余的电流镜失配对BE结电压的影响、提高温度传感器的精度并节省功耗和面积。

本发明提供一种温度传感器，包括：基准产生电路，用于产生感测温度的BE结温度感测电压和参考电压；信号放大电路，包括：与所述基准产生电路连接的第一放大器，用于对所述BE结温度感测电压进行放大处理并输出第一放大信号；与所述基准产生电路连接的第二放大器，用于对所述参考电压进行放大处理并输出第二放大信号；与所述第二放大器连接的第三放大器，用于对所述第二放大器输出的第二放大信号进行放大处理并输出第三放大信号；第一加法器，与所述第一放大器和所述第三放大器连接，用于将接收到的所述第一放大器输出的第一放大信号和所述第三放大器输出的第三放大信号相加并予以输出；模数转换电路，与所述第一加法器以及所述第二放大器连接，用于接入所述第一加法器输出的和信号以及所述第二放大器输出的第二放大信号，转换后产生代表它们比值的数字信号。

可选地，所述基准产生电路为带隙基准电压源。

可选地，所述基准产生电路包括第一电流源、第二电流源、第一双极晶体管、第二双极晶体管、运算放大器、以及第二加法器；所述第一电流源和所述第二电流源的输入端与外部电源连接，所述第一电流源的输出端与所述第一双极晶体管的发射极连接以输出所述BE结温度感测电压，所述第二电流源的输出端与所述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、集电极以及所述第二双极晶体管的基极、集电极同时接地；所述运算放大器的反相输入端与所述第一电流源的输出端和所述第一双极晶体管的发射极连接以接收所述第一双极晶体管的BE结电压，所述运算放大器的同相输入端与所述第二电流源的输出端和所述第二双极晶体管的发射极连接以接收所述第二双极晶体管的BE结电压；所述第二加法器的输入端与所述运算放大器的输出端和所述第一双极晶体管的发射极连接，用于将所述运算放大器输出的与绝对温度成比例PTAT电压和所述第二双极晶体管的发射极的所述BE结温度感测电压相加并输出所述参考电压。

可选地，所述参考电压与温度呈双曲线关系。

可选地，所述模数转换电路转换后的所述数字信号与温度呈线性关系。

如上所述，本发明提供的温度传感器，没有使用独立的双极晶体管BE结电压来检测温度，而是通过共用基准产生电路生成参考电压的双极晶体管BE结电压来检测温度，消除了多余的电流镜失配对BE结电压的影响，提高了温度传感器的精度并节省了功耗和面积，减小了双极晶体管的工艺容差对传感器精度的影响。

另外，提供的信号放大电路包含有放大倍数各不相同的多个放大器，各个放大器的放大倍数可以根据模数转换电路的满量程范围、传感器灵敏度等实际应用条件对由温度决定的感测电压范围和灵敏度进行灵活调整，从而不再受到ADC的满量程范围、传感部分灵敏度的限制影响最终模数转换电路输出的数字信号的抖动。

附图说明

图1为现有技术中第一种温度感测方式的电路示意图。

图2为现有技术中第二种温度感测方式的电路示意图。

图3为图1和图2中两种温度感测方式中各信号参数的数学关系图。

图4(a)为测试的传感器的温度输出误差曲线，图4(b)为校正曲线，图4(c)为校正补偿后的温度输出误差曲线。

图5为美国专利US pat No.6183131公开的线性温度传感器的电路示意图。

图6为本发明温度传感器的在一个实施方式中的示意图。

图7为图6在一个具体实施例中的电路示意图。

图8为双极晶体管BE结电压V_BE的温度特性曲线。

图9为V_BE二阶项引起的曲率c(T)的温度特性曲线。

图10为V_HREF的温度特性曲线。

具体实施方式

本发明的发明人发现：目前的两种温度感测技术，第一种温度感测方式是通过双极晶体管产生一个基准电压V_REF和一个BE结的电压V_BE并输入到模数转换器ADC中，就可以实现温度的数字读取，但第一种温度感测方式存在需要测试出温度的误差曲线、需要使用单片机或者额外的数字电路才能实现补偿算法，无法消除或者减小双极晶体管工艺容差对温度精度的影响等问题；第二种温度感测方式是通过双极晶体管产生一个与温度成线性关系的PTAT电压V_PTAT(ΔV_BE)和一个不随温度变化的基准电压V_REF并输入到模数转换器(ADC)中，实现温度的数字读取。但第二种温度感测方式存在产生的与温度成线性关系的检测温度电压需采用动态匹配，斩波归零等技术消除或减弱双极晶体管对的失配，电流镜的失配和运放的输入失调电压这些非理想因素的影响、电路结构复杂等问题。

因此，本发明的发明人对现有技术进行了改进，没有使用独立的双极晶体管BE结电压来检测温度，而是通过共用基准产生电路生成的参考电压和双极晶体管BE结电压来检测温度，从而消除了多余的电流镜失配对BE结电压的影响，提高了温度传感器的精度并节省了功耗和面积，减小了双极晶体管的工艺容差对传感器精度的影响。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图6为本发明温度传感器的在一个实施方式中的示意图。如图6所示，温度传感器2包括：基准产生电路20、信号放大电路22、以及模数转换电路24。

基准产生电路20，用于产生感测温度的BE结温度感测电压V_BE和与温度呈双曲线关系的参考电压V_HREF。

信号放大电路22，包括第一放大器21、第二放大器23、第三放大器25以及第一加法器27。第一放大器21与基准产生电路20连接，用于对BE结温度感测电压V_BE进行放大处理并输出第一放大信号C1·V_BE，C1为第一放大器21的放大倍数；第二放大器23与基准产生电路20连接，用于对所述参考电压V_HREF进行放大处理并输出第二放大信号C2·V_HREF，C2为第二放大器23的放大倍数；第三放大器25与第二放大器23连接，用于对第二放大器23输出的第二放大信号C2·V_HREF进行放大处理并输出第三放大信号C·V_HREF，其中C＝C2·C3，C3为第三放大器25的放大倍数；第一加法器27，与第一放大器21和第三放大器25连接，用于将第一放大器21输出的第一放大信号C1·V_BE和第三放大器25输出的第三放大信号C·V_HREF相加得到两者的和信号C1·V_BE+C·V_HREF。

模数转换电路24，与第一加法器27以及第二放大器23连接，用于接入第一加法器27输出的和信号C1·V_BE+C·V_HREF以及第二放大器23输出的第二放大信号C2·V_HREF，转换后产生代表它们比值

的数字信号。由数模转换电路转换的数字信号是与温度呈线性关系。

信号放大电路22中的第一、第二、第三放大器21、23、25中的放大倍数C1、C2、C3，可以根据ADC的满量程范围、传感器灵敏度等实际应用条件进行调整，使得温度传感器传感部分应用更加灵活方便，不再受到ADC的满量程范围、传感部分灵敏度的限制影响最终ADC输出数字信号的抖动。

图7显示是图6在一个具体实施例中的电路示意图。相对于图6，图7为基准产生电路20提供了一种具体电路形式，现针对基准产生电路20进行详细说明。

如图7所示，所述基准产生电路20包括第一电流源pI、第二电流源I、第一双极晶体管Q1、第二双极晶体管Q2、运算放大器203、以及第二加法器205。

第一电流源pI和第二电流源I的输入端与外部电源VDD连接，第一电流源pI的输出端与第一双极晶体管Q1的发射极连接以输出BE结温度感测电压V_BE，第二电流源I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；运算放大器203的反相输入端与第一电流源pI的输出端和第一双极晶体管Q1的发射极连接以接收第一双极晶体管Q1的BE结电压V_BE1，运算放大器203的同相输入端与第二电流源I的输出端和第二双极晶体管Q2的发射极连接以接收第二双极晶体管Q2的BE结电压V_BE2，从而输出与绝对温度成比例PTAT电压VPTAT，V_PTAT＝β·ΔV_BE，其中，β为运算放大器203的放大倍数，ΔV_BE为双极晶体管Q1的BE结电压V_BE1减去双极晶体管Q2的BE结电压V_BE2的电压值，ΔV_BE与温度大致呈线性关系；第二加法器205的输入端与运算放大器203的输出端和第一双极晶体管Q1的发射极连接，用于将运算放大器203输出的与绝对温度成比例PTAT电压V_PTAT和第二双极晶体管Q2的发射极的BE结温度感测电压V_BE相加并输出参考电压V_HREF，V_HREF＝V_BE+B_PTAT＝V_BE+β·ΔV_BE。

由上可知，相对于现有技术，在本发明中，没有使用独立的双极晶体管BE结电压来检测温度，而是通过共用基准产生电路生成参考电压的双极晶体管BE结电压来检测温度，这种实现方式有两个优点：1、消除了多余的电流镜失配对BE结电压的影响，提高了温度传感器的精度并节省了功耗和面积；2、由BE结温度感测电压V_BE相比于与温度呈双曲线关系的参考电压V_HREF的比值

可以看出，分子分母中的V_BE是同一个双极晶体管的BE结电压，工艺容差引起V_BE变化时，它们同时变大或变小，可以部分抵消，减小了双极晶体管的工艺容差对传感器精度的影响。

请继续参阅图6和图7，模数转换电路的两个输入信号的比值关系为：

$\mathrm{\θ}=\frac{C1\·V_{\mathrm{BE}}+C\·V_{\mathrm{HREF}}}{C2\·V_{\mathrm{HREF}}}=\frac{C1\·(V_{\mathrm{HREF}}-\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}})}{C2\·V_{\mathrm{HREF}}}+\frac{C}{C2}$

令， $\⇒\mathrm{\θ}=K_1\·\frac{\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{HREF}}}+K_2=K_1\·\frac{\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{BE}}+\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}+K_2---\left(1\right)$

$\⇒\mathrm{\θ}=K_1\·\mathrm{\μ}+K_2$

其中 $K_1=-\frac{C_1}{C2},$ $K_2=\frac{C_1+C}{C2},$ $\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{BE}}+\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}.$

表示当温度为T_r时，θ随温度变化的非线性最小

由 $\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{{\∂T}^2}=K_1\·\frac{{\∂}^2\mathrm{\μ}}{{\∂T}^2}\⇒[{\frac{{\∂}^2\mathrm{\μ}}{{\∂T}^2}]}_{T=T_r}=0---\left(2\right)$

双极晶体管BE结电压V_BE的温度特性曲线如图8所示，双极晶体管BE结电压V_BE可以表示为：

V_BE(T)＝V_BE0-λT+c(T)                               (3)

其中， $c\left(T\right)=\frac{k}{q}(\mathrm{\η}-m)(T-T_0-T\ln \left(\frac{T}{T_0}\right);$

V_BE0是双极晶体管BE结电压V_BE温度特性曲线在T_O处切线的延长线在绝对零度时的电压值；

λ表示V_BE温度特性曲线在T_O处切线的斜率；

λ的表达式为：

其中，V_BE(T_O)表示V_BE(T)在温度T_O处的值；

k表示波尔兹曼常数，k＝1.3806505×10^-23J/K；

q表示一个元电荷所带电量，q＝1.60217733×10^-19C；

T_O为该双极晶体管所对应的带隙基准电压为零温度系数时的温度值；

η是一个由工艺决定的值，其值在3-4之间；m是双极晶体管集电极偏置电流的与温度关系的指数系数， $I_C\left(T\right)=I_C\left(T_0\right){\left(\frac{T}{T_0}\right)}^m---\left(4\right)$

其中，I_C是双极晶体管集电极电流，当该电流为PTAT电流时，m＝1。

V_BE二阶项引起的温度非线性曲率c(T)，如图9所示。

由公式(1)、(2)、(3)推导出即当温度为T_r，

时，温度传感器的线性度最好，V_HREF的图形如图10所示，与温度呈双曲线关系。

在实际应用中，V_HREF(T_r)的最优值接近于

需要通过电路仿真才能得到传感器温度线性度最好的V_HREF(T_r)值。

由现有技术可知，可以通过二阶求导为0所得出的结论而适用于第一种方式的温度感测方式(通过双极晶体管产生一个与温度成线性关系的PTAT电压V_PTAT和一个不随温度变化的基准电压V_REF并输入到模数转换器ADC中)，经过本发明的上述推导，使所述结论同样也适用于第二种方式的温度感测方式(通过双极晶体管产生一个基准电压V_REF和一个BE结的电压V_BE并输入到模数转换器ADC中)。这样就消除了V_BE的曲率对温度传感器精度造成的影响，相对于第二种温度感测方式，在实现同样精度条件下不需要采用动态匹配，斩波归零等技术消除或减弱双极晶体管对的失配，电流镜的失配和运放的输入失调电压这些非理想因素的影响，电路结构更加简单。另外，相对于第一种温度感测方式，本发明将参考电压的值取为V_HREF(T_r)的值就实现补偿，而不需要额外的单片机或数字逻辑电路进行软硬件补偿，相对节省了面积和功耗。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (3)

1.一种温度传感器，其特征在于，包括：

基准产生电路，用于产生感测温度的BE结温度感测电压和参考电压；所述基准产生电路包括第一电流源、第二电流源、第一双极晶体管、第二双极晶体管、运算放大器、以及第二加法器；所述第一电流源和所述第二电流源的输入端与外部电源连接，所述第一电流源的输出端与所述第一双极晶体管的发射极连接以输出所述BE结温度感测电压，所述第二电流源的输出端与所述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、集电极以及所述第二双极晶体管的基极、集电极同时接地；所述运算放大器的反相输入端与所述第一电流源的输出端和所述第一双极晶体管的发射极连接以接收所述第一双极晶体管的BE结电压，所述运算放大器的同相输入端与所述第二电流源的输出端和所述第二双极晶体管的发射极连接以接收所述第二双极晶体管的BE结电压；所述第二加法器的输入端与所述运算放大器的输出端和所述第一双极晶体管的发射极连接，用于将所述运算放大器输出的与绝对温度成比例PTAT电压和所述第一双极晶体管的发射极的所述BE结温度感测电压相加并输出所述参考电压；

信号放大电路，包括：与所述基准产生电路连接的第一放大器，用于对所述BE结温度感测电压进行放大处理并输出第一放大信号；与所述基准产生电路连接的第二放大器，用于对所述参考电压进行放大处理并输出第二放大信号；与所述第二放大器连接的第三放大器，用于对所述第二放大器输出的第二放大信号进行放大处理并输出第三放大信号；第一加法器，与所述第一放大器和所述第三放大器连接，用于将接收到的所述第一放大器输出的第一放大信号和所述第三放大器输出的第三放大信号相加并予以输出；

模数转换电路，与所述第一加法器以及所述第二放大器连接，用于接入所述第一加法器输出的和信号以及所述第二放大器输出的第二放大信号，转换后产生代表它们比值的数字信号。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述参考电压与温度呈双曲线关系。

3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述模数转换电路转换后的所述数字信号与温度呈线性关系。

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