CN103256995A - 感温电路及集成cmos温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感温电路和集成CMOS温度传感器。该感温电路包括：镜像电流源组；动态匹配模块；选通模块，其用于根据该接收到的控制信号，对该镜像电流源组内的该多个单位电流镜进行选通，并输出选通电流；第一感温三极管和第二感温三极管。本发明的感温电路以及包括该感温电路的集成CMOS温度传感器，采用平衡的电路设置，并利用动态分配模块对输入电流进行动态分配，优选地利用两个时钟相进行数据输出，消除或减少了因器件工艺差别而导致的输出误差，从而可得到高精度的温度值。

Description

感温电路及集成CMOS温度传感器

技术领域

本发明涉及集成CMOS温度传感器，更具体地，是一种感温电路及包括该感温电路的集成CMOS温度传感器。

背景技术

传统的温度传感器用铂电阻或水银等作为感温材料，连续变化的温度值需用独立于感温材料的模拟/数字转换器（ADC）电路转换为数字码，再提供给芯片做温度计量值。独立的感温材料不易集成到芯片中。

集成在芯片上的CMOS温度传感器利用CMOS工艺中寄生PNP三极管作为感温元件，利用V_BE随温度线性下降以及ΔV_BE随温度线性升高的特性，可以得到表征温度的值，然后通过后续的ADC得到温度的数字读出值。但是，CMOS集成电路中寄生PNP三极管电参数的离散性很大，因此无法得到高精度的温度值。

发明内容

本发明的目的，在于解决现有的CMOD温度传感器精度低的问题，从而提供了一种新感温电路及集成CMOS温度传感器。

本发明的感温电路，用于输出表征温度变化的第一电压量和第二电压量，该感温电路包括：

镜像电流源组，该镜像电流源组包括多个单位电流镜，其中该每个单位电流镜用于输出一个单位的恒定电流；

动态匹配模块，其用于根据接收到的控制信号，对镜像电流源组的输出电流进行分配，并输出第一分配电流和第二分配电流；

选通模块，其用于根据该接收到的控制信号，对该镜像电流源组内的该多个单位电流镜进行选通，并输出选通电流；

第一感温三极管和第二感温三极管，该第一感温三极管和第二感温三极管分别用于接收该第一分配电流和第二分配电流中的一个，并输出该第一电压量，以及用于接收该选通电流，并输出该第二电压量。

优选地，该感温电路连接有一个时钟电路，该时钟电路分别与所述动态匹配模块和所述选通模块相连接，用于产生第一时钟相信号以及与该第一时钟相电平相反的第二时钟相信号，并且：

当所述动态匹配模块接收到该第一时钟相信号时，所述动态分配模块将所述第一分配电流输送至所述第一感温三极管，将所述第二分配电流输送至所述第二感温三极管，当所述动态匹配模块接收到该第二时钟相信号时，所述动态分配模块将所述第一分配电流输送至所述第二感温三极管，将所述第二分配电流输送至所述第一感温三极管；

当所述选通模块接收到该第一时钟相信号时，所述选通模块将所述选通电流传输至所述第一感温三极管，当所述选通模块接收到该第一时钟相信号时，所述选通模块将所述选通电流传输至所述第二感温三极管。

优选地，所述第二感温三极管并联有一个旁路三极管，并且所述第一感温三极管并联有一个补偿三极管。

优选地，该感温电路连接有一个Delta-sigma模数转换积分器，该Delta-sigma模数转换积分器输出所述控制信号至所述动态匹配模块和所述选通模块，并接收所述第一电压量和所述第二电压量。

优选地，所述第一感温三极管和所述第二感温三极管为寄生PNP三级管。

优选地，所述旁路三极管和所述补偿三极管为寄生PNP三极管。

优选地，所述镜像电流源组包括6个单位电流镜，并且所述第二分配电流是所述第一分配电流的五倍。

本发明的集成CMOS温度传感器，包括上述感温电路，并且该集成CMOS温度传感器还包括：

偏置电路，用于向该感温电路提供偏置信号；

Delta-sigma模数转换积分器，其输出所述控制信号至所述动态匹配模块和所述选通模块，并接收所述第一电压量和所述第二电压量，以及输出积分码数据流；

抽样滤波器，用于对该积分码数据流进行抽样和滤波处理，并输出温度值；

时钟电路，用于为该偏置电路、该感温电路、该Delta-sigma模数转换积分器、以及该抽样滤波器提供时钟信号。

本发明的感温电路以及包括该感温电路的集成CMOS温度传感器，采用平衡的电路设置，并利用动态分配模块对输入电流进行动态分配，优选地利用两个时钟相进行数据输出，消除或减少了因器件工艺差别而导致的输出误差，从而可得到高精度的温度值。

附图说明

图1为具有本发明的感温电路的集成CMOS温度传感器；

图2为本发明的感温电路的组成框图；

图3为本发明的感温电路的一个实施方式示意图；

图4为利用本发明感温电路的输出进行温度计算的曲线图。

具体实施方式

以下根据附图，对本发明的感温电路的组成和工作原理进行详细说明。

如图1所示，是具有本发明的感温电路的集成CMOS温度传感器的组成示意图。在该架构中，集成CMOS温度传感器包括本发明的感温电路100、偏置电路200、Delta-sigma模数转换积分器300、抽样滤波器400和时钟电路500，其中，感温电路100用于输出表征温度变化的第一电压量ΔV_BE和第二电压量V_BE；偏置电路，用于向该感温电路提供偏置信号；Delta-sigma模数转换积分器（Delta-sigma ADC）300输出控制信号BS至感温电路100，并接收第一电压量ΔV_BE和第二电压量V_BE，并且输出积分码数据流至抽样滤波器400；抽样滤波器用于对积分码数据流进行抽样和滤波处理，并输出温度值；另外，时钟电路，用于为该偏置电路、该感温电路、该Delta-sigma模数转换积分器、以及该抽样滤波器提供时钟信号。感温电路的第一电压量ΔV_BE和第二电压量V_BE输出，由Delta-sigma ADC300输出的控制信号BS进行控制，例如，当Delta-sigma ADC300输出的控制信号BS为0时，感温电路输出第一电压量ΔV_BE至Delta-sigma ADC300进行积分处理；当Delta-sigma ADC300输出的控制信号BS为1时，感温电路输出第二电压量V_BE至Delta-sigma ADC300进行积分处理。

如图2所示，是本发明的感温电路100的示意图，如图所示，该感温电路包括镜像电流源组110、动态匹配模块120、选通模块130、第一感温三极管140和第二感温三极管150。

具体地，镜像电流源组110包括多个单位电流镜I1、I2、I3...In，其中每个单位电流镜I1、I2、I3...In用于输出一个单位的恒定电流。单位电流镜I1、I2、I3...In由同一镜像电流控制，以保证每个单位电流镜产生均一的单位电流。

动态匹配模块120用于根据接收到的控制信号BS，对镜像电流源组的输出电流进行分配，并输出第一分配电流和第二分配电流。如上所述，控制信号BS由Delta-sigma ADC300发出，在一个实施方式中，当控制信号BS为0时，表明指令感温电路输出第一电压量ΔV_BE至Delta-sigma ADC300进行积分处理。因此，利用动态匹配模块120对多个单位电流镜产生的多个单位的电流（多份电流）进行分配，并输送到两个感温三极管140、150，两个感温三极管140、150分别产生一个发基极-发射极电压，两个电压的差ΔV_BE，即作为第一电压量输出到Delta-sigma ADC300进行积分处理。另一方面，动态分配模块120可对多个单位电流源的输出电流进行动态分配，即动态地选择单位电流镜中的固定的一个或多个单位电流镜，输出第一分配电流和第二分配电流至第一感温三极管140和第二感温三极管150。例如，假设将一份电流（即一个单位电流）作为第一分配电流输出，将其它份数（n-1）的电流作为第二电流输出，那么，动态匹配模块120可动态地选择多个单位电流镜中的任一个用于产生第一分配电流，同时选择剩余的电流镜用于产生第二分配电流。利用动态匹配模块进行电流分配，是为最大程度地减少因各单位电流镜工艺等差异而导致的误差。动态匹配模块可采用常规的动态元件匹配（DEM）器件或手段实现。第一分配电流和第二分配电流的比例可根据实际需要而定，通常在1:4至1:8之间。

选通模块130用于根据该接收到的控制信号BS，对该镜像电流源组内的该多个单位电流镜进行选通，并输出选通电流。如上所述，当控制信号BS为0时，动态匹配模块120产生第一分配电流和第二分配电流至两个感温三极管，以输出计算温度所需的第一电压量ΔV_BE；另一方面，当控制信号BS为1时，则选通模块130工作，用于根据需要，产生选通电流，并分别输送至第一感温三极管140和第二感温三极管150，以产生第二电压量V_BE，即第一感温三极管140和/或第二感温三极管150的基极-发射极电压。选通模块130产生选通电流的大小可根据实际需要而定，例如，可选通3份、4份或5份单位电流至第一感温三极管或第二感温三级管。选通模块130可利用常规的选通控制开关元件构成。

如上所述，第一感温三极管140和第二感温三极管150分别用于接收第一分配电流和第二分配电流中的一个，并输出该第一电压量，以及用于接收选通电流，并输出该第二电压量。在本发明的一个实施方时钟，当控制信号BS为0时，两个感温三极管140、150输出第一电压量，当控制信号BS为1时，两个感温三极管140、150输出第二电压量。容易理解，也可以设置成当控制信号BS为1时，两个感温三极管140、150输出第一电压量，当控制信号BS为0时，两个感温三极管140、150输出第二电压量。

在本发明中，第一感温三极管140和第二感温三极管150为各参数相同的寄生PNP三极管，优选地均为单位面积PNP三级管。但是，由于工艺误差，两种三级管仍然不能达到完全一致。因此，在本发明的一个优选的实施方式中，可利用两个非交叠的时钟相，对两个感温三极管140、150的电流分配进行进一步控制，从而更精确地反映温度变化。

为达到该更佳目的，结合图1、2感温电路100连接的时钟电路500分别与动态匹配模块120和选通模块130相连接，用于产生第一时钟相信号（PHI1）以及与该第一时钟相电平相反的第二时钟相信号（PHI2），并且：一方面，当动态匹配模块120接收到第一时钟相信号时，动态分配模块120将第一分配电流输送至第一感温三极管140，将第二分配电流输送至第二感温三极管150，当动态匹配模块120接收到第二时钟相信号时，动态分配模块120将第一分配电流输送至第二感温三极管150，将第二分配电流输送至第一感温三极管140；另一方面，当选通模块130接收到该第一时钟相信号时，选通模块130将选通电流传输至第一感温三极管140，当选通模块接收到该第一时钟相信号时，选通模块将选通电流传输至第二感温三极管150。

通过以上的两个时钟相控制，可以达到利用两个感温三极管的时域平均，减少集成电路工艺中元件不匹配所造成的误差。在BS=0时，两个时钟相内两个感温三极管可分别产生正负相反的两个第一电压量ΔV_BE，—ΔV_BE，它们可输送至后续的Delta-sigma ADC300采样积分（第一时钟相采样，第二时钟相积分）得到2ΔV_BE；同样，在BS=1时，两个时钟相内两个感温三极管可分别产生正负相反的两个第二电压量V_BE，—V_BE，然后输送至Delta-sigma ADC300采样积分（第一时钟相采样，第二时钟相积分）得到2V_BE。

另外，第二感温三极管150还可并联有一个旁路三极管160，并且第一感温三极管140可并联有一个补偿三极管170。选通模块在产生选通电流时，镜像电流源组110中没有用于产生第二电压量（V_BE或—V_BE）的电流可通过该旁路三级管140旁路到地。作为匹配补偿，还需要在第一感温三极管140处并联一个补偿三级管170，它仅是为了电路更加平衡而设置。

如图3所示，是本发明的感温电路在一个优选实施方式中的电路示意图。结合图1、2，在该电路中，镜像电流源组110包括6个单位电流镜I1-I6，SW1到SW8是双向切换开关，其由动态匹配模块120和选通模块130控制，以确定第一分配电流、第二分配电流和选通电流的电流份数，SW10-SW15为单向开关，它们分别由两个时钟相PHI1、PHI2控制，以分别在两个时钟相产生两种正负相反的第一电压量和第二电压量。PHI1和PHI2是由时钟电路500中的同一时钟信号产生的两相非交叠时钟的两个时钟相，其中当PHI1是高电平时PHI2是低电平，当PHI1是低电平时PHI2是高电平。控制信号BS是Delta-sigma ADC300输出的1bit码流信号，当BS=0时，感温电路100输出第一电压量（ΔV_BE或—ΔV_BE），当BS=1时，感温电路100输出第二电压量（V_BE或—V_BE）。Q1和Q2分别为第一感温三极管和第二感温三极管，Q4为旁路三极管，Q3为补偿三极管，四个三极管Q1-Q4均为单位面积PNP三极管。

BS=0时，SW1～SW6双向切换开关由动态匹配模块120产生的开关信号控制生成1:5的电流比例分别流向左右两个支路，在PHI1时钟相时五份单位电流流过Q2一份单位电流流过Q1产生ΔV_BE输出，在PHI2时钟相时一份单位电流流过Q2五份单位电流流过Q1产生-ΔV_BE输出，Delta-sigmaADC300在PHI1采样PHI2积分得到2ΔV_BE。该方式中，单位电流的动态匹配以及Q1和Q2的时域平均减小了集成电路工艺中元件不匹配造成的误差，Q3、Q4使电路更加平衡，ΔV_BE只取决于电流比从而能得到精确的ΔV_BE值。

BS=1时，SW2～SW6双向切换开关由选通模块130控制生成选通电流，选通电流流过左侧支路在两相时钟PHI和PHI2的控制下轮流流过Q1和Q2，PHI1时电流流过Q1，Q2被短路到地，输出-V_BE；PHI2时电流流过Q2，Q1被短路到地，输出V_BE，Delta-sigmaADC300在PHI1采样PHI2积分得到-2V_BE。六份单位电流中没有用于产生V_BE电压的电流通过Q4旁路到地。

在一个具体的设计实例中，ΔV_BE随温度变化率约为0.14mV/℃，V_BE随温度变化率-1.7265mV/℃。V_BE与ΔV_BE变化率的比值为1.7265/0.14=12.33，因此α=12为最优值，线性关系如图4所示。

将感温电路产生的V_BE和ΔV_BE带入下面公式可以得到温度值：

μ＝αΔV_BE/(V_BE+αΔV_BE)；

T_OUT＝A.μ-B；

A和B的值与工艺相关，一般情况下A=680，B=270。

利用该感温电路进行测量，可以使温度精度值达到±0.1℃。

如上所述，本发明的感温电路以及包括该感温电路的集成CMOS温度传感器，采用平衡的电路设置，并利用动态分配模块对输入电流进行动态分配，优选地利用两个时钟相进行数据输出，消除或减少了因器件工艺差别而导致的输出误差，从而可得到高精度的温度值。

Claims (8)

1.一种感温电路，用于输出表征温度变化的第一电压量和第二电压量，其特征在于，该感温电路包括：

镜像电流源组，该镜像电流源组包括多个单位电流镜，其中该每个单位电流镜用于输出一个单位的恒定电流；

动态匹配模块，其用于根据接收到的控制信号，对镜像电流源组的输出电流进行分配，并输出第一分配电流和第二分配电流；

选通模块，其用于根据该接收到的控制信号，对该镜像电流源组内的该多个单位电流镜进行选通，并输出选通电流；

第一感温三极管和第二感温三极管，该第一感温三极管和第二感温三极管分别用于接收该第一分配电流和第二分配电流中的一个，并输出该第一电压量，以及用于接收该选通电流，并输出该第二电压量。

2.根据权利要求1所述的感温电路，其特征在于，该感温电路连接有一个时钟电路，该时钟电路分别与所述动态匹配模块和所述选通模块相连接，用于产生第一时钟相信号以及与该第一时钟相电平相反的第二时钟相信号，并且：

当所述动态匹配模块接收到该第一时钟相信号时，所述动态分配模块将所述第一分配电流输送至所述第一感温三极管，将所述第二分配电流输送至所述第二感温三极管，当所述动态匹配模块接收到该第二时钟相信号时，所述动态分配模块将所述第一分配电流输送至所述第二感温三极管，将所述第二分配电流输送至所述第一感温三极管；

当所述选通模块接收到该第一时钟相信号时，所述选通模块将所述选通电流传输至所述第一感温三极管，当所述选通模块接收到该第一时钟相信号时，所述选通模块将所述选通电流传输至所述第二感温三极管。

3.根据权利要求1或2所述的感温电路，其特征在于，所述第二感温三极管并联有一个旁路三极管，并且所述第一感温三极管并联有一个补偿三极管。

4.根据权利要求1或2所述的感温电路，其特征在于，该感温电路连接有一个Delta-sigma模数转换积分器，该Delta-sigma模数转换积分器输出所述控制信号至所述动态匹配模块和所述选通模块，并接收所述第一电压量和所述第二电压量。

5.根据权利要求1或2所述的感温电路，其特征在于，所述第一感温三极管和所述第二感温三极管为寄生PNP三级管。

6.根据权利要求3所述的感温电路，其特征在于，所述旁路三极管和所述补偿三极管为寄生PNP三极管。

7.根据权利要求1或2所述的感温电路，其特征在于，所述镜像电流源组包括6个单位电流镜，并且所述第二分配电流是所述第一分配电流的五倍。

8.一种集成CMOS温度传感器，其特征在于，包括如权利要求1所述的感温电路，并且该集成CMOS温度传感器还包括：

偏置电路，用于向该感温电路提供偏置信号；

Delta-sigma模数转换积分器，其输出所述控制信号至所述动态匹配模块和所述选通模块，并接收所述第一电压量和所述第二电压量，以及输出积分码数据流；

抽样滤波器，用于对该积分码数据流进行抽样和滤波处理，并输出温度值；

时钟电路，用于为该偏置电路、该感温电路、该Delta-sigma模数转换积分器、以及该抽样滤波器提供时钟信号。

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