CN103837243A - 时间域集成温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明所述时间域集成温度传感器采用经过整形后的时钟信号对电容充电时间进行控制，使得电容产生与输入时钟周期相关的充电延时信号，一路PTAT电流按照以上的控制方式为电容充电产生的延时信号和一路CTAT电流按照同样方式为电容充电产生的延迟信号经过逻辑异或运算，产生其宽度与温度和输入时钟周期均相关的脉冲信号；于是采用同一输入时钟信号对该脉冲信号的脉冲宽度进行量化，得到的量化结果与输入时钟的周期的相关性完全抵消，即温度传感器的输出值与输入时钟信号的周期无关，解决了现有时间域集成温度传感器随其时钟信号周期变化而读数不一致的问题，一定程度提高了时间域集成温度传感器的精度。

Description

时间域集成温度传感器

技术领域

本发明涉及温度传感器技术领域，具体是指一种在时间域对温度传感器所测量的温度值作信号处理的集成温度传感器。

背景技术

目前在医疗监控、家用电器、消费类电子、物联网、智能感测、汽车电子、智能控制等领域对集成智能温度传感器的需求正不断增长，同时对其精度也有了更为苛刻的要求。国内外研究机构与企业在集成智能温度传感器方面已经取得了一些研究成果，比如：Ching-Che Chung等发表在《IEEE Proceedings of2010International Symposium on Circuits and Systems》的《An All-Digital SmartTemperature Sensor with Auto-Calibration in65nm CMOS Technology》、Poki Chen等发表在《IEEE Transactions on Circuits and Systems》期刊的《All-DigitalTime-Domain Smart Temperature Sensor With an Inter-Batch Inaccuracy of-0.7℃-+0.6℃After One-Point Calibration》、Yu-Shiang Lin等发表在IEEE CustomIntegrated Circuit Conference会议的《An Ultra Low Power1V,220nW TemperatureSensor for Passive Wireless Applications》，以及香港科技大学以2012年2月1日公开的申请号为CN102338669A，名称为《低电压低功耗CMOS温度传感器》的发明专利。

以上的四款智能温度传感器技术均为业界普遍采用的在时间域作信号处理的集成温度传感器电路技术。这类在半导体芯片上实现的集成温度传感器的共同特征是：首先采用温度采集与信号转换元件将所测量的温度信息转换成其脉冲宽度与温度相关的时间域脉冲信号，然后采用时间数字转换器

（Time-Digital-Converter：TDC）将该时间域脉冲信号的脉冲宽度转换为多位数字码流输出，最后根据该多位数字码流输出与温度的对应关系得出温度读数。图1所示为现有的时间域温度传感器电路基本结构，包括所输出的电流与温度成正比例关系的PTAT(Proportional To Absolute Temperature)电流产生电路、所输出的电流与温度成反比例关系的CTAT(Complementary To AbsoluteTempreature)电流产生电路、第一电平检测电路与第二电平检测电路、异或门以及计数器。所述PTAT电流产生电路和CTAT电流产生电路分别用于产生与温度成正比和反比关系的电流信号I_PTAT与I_CTAT，并分别用I_PTAT与I_CTAT给第一电容和第二电容充电。当第一电容正端电压达到第一电平检测电路的阈值电压后，第一电平检测电路的输出信号V_P,D发生翻转；当第二电容正端电压达到第二电平检测电路的阈值电压后，第二电平检测电路的输出信号V_N,D发生翻转。所述第一电平检测电路输出信号V_P,D与第二电平检测电路输出信号V_N,D连接至异或门的两个输入端，经过XOR（异或）处理后，输出其脉冲宽度与温度线形相关的脉冲信号PW。脉冲信号PW连接至计数器的使能端EN，计数器利用系统时钟CLK对PW信号的脉冲宽度进行时间域的采样，并转换成时间域的离散数字脉冲方波信号，对该离散数字脉冲方波信号的计数结果按已知的对照关系得出温度的读数。

这一实现方式在时钟信号频率不足够精确的系统中存在着明显不足，即时钟信号频率的变化，也就是其周期的变化，导致时间域脉冲宽度量化结果的变化，引起温度传感器读数的误差与读数的不一致性。例如，在被动射频识别标签应用领域，集成在射频识别标签芯片中的温度传感器采用的时钟信号是读卡器设备经过发射端天线发出的载波信号，其经过射频识别标签芯片的时钟恢复单元从接收的射频场能量中提取得来，所以用该时钟信号计数而得出的温度读数与读卡器发射的载波频率有关。根据该领域的相关规范和国际标准，读卡器发出的载波频率并不是一个严格准确的频率，而是在一个相对较宽的频率范围内的任一频率，如此一来，不同的读卡器设备读取的同一射频识别标签内温度传感器的温度读数之间将存在较大差异，各读数出现明显的不一致性。即便在相同的输出频率指标下，经过时钟恢复电路提取出来的时钟信号的周期随电路参数、工作环境、制造工艺的变化也较大。因此，采用这种方式实现的时间域温度传感器的精度较低，针对不同时钟信号，其读数的一致性很差，严重限制了其应用范围。

如专利CN102338669A《低电压低功耗CMOS温度传感器》所公开的温度传感器，其工作原理如图1及图2所示。其中第一电容经过一段时间T_P,D的充电，其正端电压V_P升高到阈值电压V_P,TH，V_P经过第一电平检测电路产生延时为T_P,D的延时信号V_P,D；而第二电容经过一段时间T_N,D的充电，其正端电压V_N升高到阈值电压V_N,TH，V_N经过第二电平检测电路产生延时为T_N,D的延时信号V_N,D。V_P,D和V_N,D分别输入至异或逻辑门的两个输入端，经过异或逻辑运算后得到脉冲宽度与温度线性相关的脉冲信号PW。脉冲信号PW输出至计数器使能输入端，使计数器在脉冲信号PW的高电平T_PW（即为PW的脉冲宽度）期间，以系统时钟CLK为时钟进行计数。例如计数结果为K（K为大于等于0的整数），表示PW脉冲信号的脉冲宽度为K个时钟周期，则根据预先设定的脉冲信号PW的脉冲宽度的量化结果K与温度的对应关系，即得到温度传感器所测得的温度读数。

然而，专利CN102338669A《低电压低功耗CMOS温度传感器》所公开的温度传感器的系统时钟CLK直接采用射频识别标签射频前端从读卡器发射的场能量中恢复出的时钟，因此，温度传感器的输出值直接与射频识别标签接收到的载波频率相关。目前，射频识别业界标准并不严格规定读卡器的载波频率，因此，各厂家，甚至不同批次的读卡器发射出的载波频率存在较大差异，如此则导致温度传感器恢复出的系统时钟CLK的周期亦存在较大差异。因此，即使是对于相同的脉冲宽度T_PW（表征了同一温度），采用从读卡器A恢复出的系统时钟CLKA，温度传感器计数结果为K个CLKA周期，如图2所示；而采用从读卡器B恢复出的系统时钟CLKB，温度传感器计数结果为K-X个（X为自然数）CLKB周期，如图3所示。综上所述，对于同一温度传感器测量的同一温度，采用不同的读卡器便会读出不同的温度值，而温度值为绝对量，显然这样的温度传感器的精度与一致性很差，缺乏实用性。

以上描述了不同温度传感器或不同应用场合造成的温度传感器的输入时钟信号周期偏差所造成的温度传感器的精度与一致性降低的问题。然而，同一温度传感器在进行一次温度测量期间其时钟信号的周期也可能发生变化，这是由于应用系统、电路噪声、制造工艺等因素，导致时钟信号周期随时间的波动而发生变化。比如在射频识别领域，读卡器载波频率的波动造成了无源射频标签从场能量中恢复出的时钟信号的频率的波动，时钟信号频率的波动，即周期的波动，很可能发生在温度传感器的一次测量期间。与以上情况类似，在温度传感器测量期间其时钟信号的周期的变化也会影响时间域集成温度传感器的测量精度与一致性。

发明内容

现有技术中的时间域集成温度传感器的时钟信号周期易受应用系统、电路参数、工作环境、制造工艺的影响而出现较大变化，为解决现有时间域集成温度传感器随其时钟信号周期的变化而读数不一致的问题，本发明提供一种测量所得温度读数与时钟信号周期无关的时间域集成温度传感器，从而保证了应用在时钟信号频率存在较大变化的场合（如集成在被动式射频识别标签中的时间域温度传感器）的时间域温度传感器读数的一致性，一定程度上提高了时间域温度传感器的精度。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案为：时间域集成温度传感器，包括PTAT延时电路、CTAT延时电路、异或门以及计数器，所述异或门的两个输入端分别连接至PTAT延时电路的输出端和CTAT延时电路的输出端，所述异或门的输出端与计数器的使能端连接，所述计数器的时钟信号输入端连接至所述温度传感器的时钟输入端口，

所述PTAT延时电路包括PTAT电流产生电路、第一电容、第一开关和第一电平检测电路，所述PTAT电流产生电路输出端连接至第一电容的正极端和第一开关，以及所述第一电平检测电路的输入端，第一电容与第一开关并联连接并接地，所述第一电平检测电路的输出端连接至所述异或门的第一输入端，

所述CTAT延时电路包括CTAT电流产生电路、第二电容、第二开关和第二电平检测电路，所述CTAT电流产生电路输出端连接至第二电容的正极端和第二开关，以及所述第二电平检测电路的输入端，第二电容与第二开关并联连接并接地，所述第二电平检测电路的输出端连接至所述异或门的第二输入端，

所述PTAT电流产生电路的输出端连接有第一开关单元，所述第一开关单元输出端连接至第一电容的正极端，第一开关单元的控制端通过脉冲整形电路连接至所述温度传感器的时钟输入端口；

所述CTAT电流产生电路的输出端连接有第二开关单元，所述第二开关单元输出端连接至第二电容的正极端，第二开关单元的控制端通过脉冲整形电路连接至所述温度传感器的时钟输入端口；

所述脉冲整形电路输入端连接至所述温度传感器的时钟输入端口，脉冲整形电路输出端分别连接至所述第一开关单元的控制端、第二开关单元的控制端，以及计数器的时钟信号输入端，用于将输入的时钟信号整形为与输入时钟信号的周期保持一致，且周期内高电平的时间为恒定时间的方波信号，并利用该方波信号控制所述第一开关单元和第二开关单元的闭合与断开，以及采用该方波信号作为计数器的时钟在脉冲信号高电平期间进行计数，计数结果即为脉冲信号脉冲宽度的量化结果。

更进一步的，所述第一开关单元与第二开关单元为第三开关或第一复合开关，所述第二开关单元为第四开关或第二复合开关。

本发明所述时间域集成温度传感器采用脉冲整形电路对输入时钟信号进行整形，整形后的方波信号与输入时钟信号具有相同的周期，而方波信号周期中正半周的高电平时间为整形电路所规定的恒定时间。用整形后的方波信号对电容充电时间进行控制，也即仅在该方波信号的高电平期间为电容进行充电，在该方波信号的低电平期间停止为电容充电。由不同周期的时钟信号被整形成的方波信号具有严格相同的充电时间，和不相同的停止充电时间，因而电容以这种间歇的方式充电，电容正端达到电平检测电路的翻转阈值电压所需的时间与输入时钟周期相关，因此电平检测电路输出的电压信号（以下简称为延时信号）的上升沿的延时亦与输入时钟周期相关。一路PTAT电流按照以上的控制方式为电容充电产生的延时信号和一路CTAT电流按照同样方式为电容充电产生的延迟信号经过逻辑异或运算，产生其宽度与温度和输入时钟周期均相关的脉冲信号；于是采用同一输入时钟信号对该脉冲信号的脉冲宽度进行量化，得到的量化结果与输入时钟的周期的相关性完全抵消，即温度传感器的输出值与输入时钟信号的周期无关，解决了现有时间域集成温度传感器随其时钟信号周期变化而读数不一致的问题，一定程度提高了时间域集成温度传感器的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中温度传感器电路结构框图；

图2是现有技术中温度传感器工作原理图一；

图3是现有技术中温度传感器工作原理图二；

图4是本发明所述温度传感器电路结构框图；

图5是本发明所述温度传感器电路实施例一结构图；

图6是本发明所述温度传感器电路实施例二结构图；

图7是本发明所述脉冲整形电路实施例一结构图；

图8是本发明所述脉冲整形电路实施例二结构图；

图9是本发明所述PTAT电流产生电路结构图；

图10是本发明所述CTAT电流产生电路结构图；

图11是所述电平检测电路结构图；

图12是本发明所述温度传感器电路采用两个不同频率的时钟信号工作时序图的比较图；

图13是本发明实施例工作时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图4是本发明所述温度传感器电路结构框图，所述温度传感器电路100包括PTAT延时电路1、CTAT延时电路2、异或门3以及计数器4，所述异或门3的两个输入端分别连接至PTAT延时电路1的输出端和CTAT延时电路2的输出端，所述异或门3的输出端与计数器4的使能端EN连接，将由所述PTAT延时电路1产生的与温度成正比的延时信号，和CTAT延时电路2产生的与温度成反比的延时信号异或后的脉宽随温度变化的脉冲信号PW输入至计数器4。所述计数器4的时钟信号输入端连接至所述温度传感器的时钟输入端口CLK，使计数器4利用时钟信号CLK对上述脉宽随温度变化的脉冲信号PW进行量化，得到量化后的温度信号D_out并输出。

如图4所示，所述PTAT延时电路1包括PTAT电流产生电路10、第一电容C₁、第一开关S₁和第一电平检测电路12。所述PTAT电流产生电路10用于产生与温度成正比的充电电流I_PTAT，其输出端连接至第一电容C₁的正极端和第一开关S₁、以及第一电平检测电路12的输入端V_in；所述第一电容C₁与第一开关S₁并联连接并接地；所述第一电平检测电路12的输出端V_out连接至所述异或门3的第一输入端。

为保证充电电流I_PTAT开始为所述第一电容C₁充电时第一电容C₁的电荷量为零，以及所述计数器4的计数准确性，如图4所示，Start信号输入端口与所述第一开关S₁连接，并控制所述第一开关S₁在第一电容C₁开始充电前闭合，与第一电容C₁构成回路将所述第一电容C₁上的电荷泄放到地，使第一电容C₁正极端的电压V_P为零。且所述Start信号输入端口还与计数器4的复位端Reset连接，使所述计数器4在开始工作时清零。当所述充电电流I_PTAT开始为第一电容C₁充电时，Start信号控制第一开关S₁断开，所述充电电流I_PTAT为第一电容C₁充电并使得第一电容C₁正极端的电压V_P逐渐升高，当电压V_P升高至大于第一电平检测电路12的阈值电压V_P,TH时，第一电平检测电路12发生翻转，其输出端V_out输出的电压V_P,D由低电平信号翻转为高电平信号。

所述PTAT电流产生电路的输出端还连接有第一开关单元11，所述第一开关单元11的输入端与PTAT电流产生电路10的输出端连接，其控制端通过脉冲整形电路5连接至所述温度传感器的时钟输入端口，输出端连接至第一电容C₁的正极端。所述第一开关单元11用于根据时钟信号的时钟周期间断性的控制充电电流I_PTAT对所述第一电容C₁进行充电，以产生与温度相关的延时信号，并使得该延时信号的延时与时钟频率有关。

所述CTAT延时电路2包括CTAT电流产生电路20、第二电容C₂、第二开关S₂和第二电平检测电路22。所述CTAT电流产生电路20用于产生与温度成反比的充电电流I_CTAT，其输出端连接至第二电容C₂的正极端和第二开关S₂、以及第二电平检测电路22的输入端V_in；所述第二电容C₂与第二开关S₂并联连接并接地；所述第二电平检测电路22的输出端V_out连接至所述异或门3的第二输入端。

为保证充电电流I_CTAT开始为所述第二电容C₂充电时第二电容C₂的电荷量为零，以及所述计数器4的计数准确性，如图4所示，Start信号输入端口与所述第二开关S₂连接，并控制所述第二开关S₂在第二电容C₂开始充电前闭合，与第二电容C₂构成回路将所述第二电容C₂上的电荷泄放到地，使第二电容C₂正极端的电压V_N为零。当所述充电电流I_CTAT开始为第二电容C₂充电时，Start信号控制第二开关S₂断开，所述充电电流I_CTAT为第二电容C₂充电并使得第二电容C₂正极端的电压V_N逐渐升高，当电压V_N升高至大于第二电平检测电路22的阈值电压V_N,TH时，第二电平检测电路22发生翻转，其输出端V_out输出的电压V_N,D由低电平信号翻转为高电平信号。

所述CTAT电流产生电路的输出端还连接有第二开关单元21，所述第二开关单元21的输入端与CTAT电流产生电路20的输出端连接，其控制端通过脉冲整形电路5连接至所述温度传感器的时钟输入端口，输出端连接至第二电容C₂的正极端。所述第二开关单元21用于根据时钟信号的时钟周期间断性的控制充电电流I_CTAT对所述第二电容C₂进行充电，以产生与温度相关的延时信号，并使得该延时信号的延时与时钟频率有关。

由于不同的温度传感器之间采用的时钟信号CLK的频率各不相同，例如附图12中所示的CLK1与CLK2。如前所述，时钟信号CLK的频率不相同，将导致不同温度传感器读取的温度不一致。本发明为解决该问题，加入了第一开关单元11与第二开关单元21，且在所述第一开关单元11与第二开关单元21的控制端与时钟信号CLK输入端之间连接有脉冲整形电路5，所述脉冲整形电路5输入端连接至所述温度传感器的时钟输入端口，脉冲整形电路5输出端分别连接至所述第一开关单元11的控制端、第二开关单元21的控制端，以及计数器4的时钟信号输入端，用于将输入的时钟信号CLK整形为与输入时钟信号的周期保持一致，且周期内高电平的时间为恒定时间的方波信号CLK_INT，并利用该方波信号CLK_INT控制所述第一开关单元11和第二开关单元21的闭合与断开，以及采用该方波信号作为计数器4的时钟对与温度相关的脉冲信号的脉冲宽度进行量化。如图12中，针对两个不同频率的输入时钟信号CLK1与CLK2，经脉冲整形电路5后，其对应输出方波信号CLK_INT1与CLK_INT2的周期分别跟CLK1与CLK2的周期相同，但CLK_INT1与CLK_INT2的高电平时间均恒定为T_PULSE，不随输入时钟信号的周期改变。

图5是本发明所述温度传感器电路实施例一结构图，在该实施例中所述第一开关单元11为第三开关S₃，所述第二开关单元21为第四开关S₄。如图所示，所述第三开关S₃的输入端连接至PTAT电流产生电路10的输出端，其控制端连接至脉冲整形电路5的输出端，输出端连接至第一电容C₁的正极端；所述第四开关S₄的输入端连接至CTAT电流产生电路20的输出端，其控制端连接至脉冲整形电路5的输出端，输出端连接至第二电容C₂的正极端。

所述第三开关S₃的控制端和第四开关S₄的控制端接受来自脉冲整形电路5输出的方波信号CLK_INT的控制，当脉冲整形电路5输出的方波信号CLK_INT处于高电平时，所述第三开关S₃和第四开关S₄闭合，电流I_PTAT和电流I_CTAT分别开始为第一电容C₁和第二电容C₂充电。当脉冲整形电路5输出的方波信号CLK_INT处于低电平时，所述第三开关S₃和第四开关S₄断开，第一电容C₁和第二电容C₂停止充电，当方波信号CLK_INT处于高电平时继续充电，如此往复，直至第一电容C₁两端的电压V_P和第二电容C₂两端的电压V_N分别达到第一电平检测电路12的阈值电压V_P,TH和第二电平检测电路22的阈值电压V_N,TH时，所述第一电平检测电路12与所述第二电平检测电路22的输出信号翻转，如此，则使得所述第一电容C₁和第二电容C₂充电形成的延时信号的延时变得与输入时钟周期正相关，延时信号经过逻辑单元产生与输入时钟信号周期正相关的脉冲宽度。

图6是本发明所述温度传感器电路实施例二结构图，在该实施例中所述第一开关单元11为第一复合开关13，所述第一复合开关13包括并联连接的第一N型MOS管NM1和第一P型MOS管PM1，所述第一N型MOS管NM1的漏极连接至第一P型MOS管PM1的源极并连接至PTAT电流产生电路10的输出端，所述第一N型MOS管NM1的源极连接至第一P型MOS管PM1的漏极并连接至第一电容C₁的正极端，所述第一N型MOS管NM1的栅极连接至脉冲整形电路5的输出端，所述第一P型MOS管PM1的栅极通过反相器连接至脉冲整形电路5的输出端；所述第二开关单元12为第二复合开关23，所述第二复合开关23包括并联连接的第二N型MOS管NM2和第二P型MOS管PM2，所述第二N型MOS管NM2的漏极连接至第二P型MOS管PM2的源极并连接至CTAT电流产生电路20的输出端，所述第二N型MOS管NM2的源极连接至第二P型MOS管PM2的漏极并连接至第二电容C₂的正极端，所述第二N型MOS管NM2的栅极连接至脉冲整形电路5的输出端，所述第二P型MOS管PM2的栅极通过反相器连接至脉冲整形电路5的输出端。

所述第一N型MOS管NM1的栅极和第一P型MOS管PM1的栅极接受来自脉冲整形电路5输出的方波信号CLK_INT的控制，当脉冲整形电路5输出的方波信号CLK_INT处于高电平时，所述第一N型MOS管NM1与第一P型MOS管PM1同时导通，电流I_PTAT开始为第一电容C₁充电；同时，所述第二N型MOS管NM2与第二P型MOS管PM2同时导通，电流I_CTAT开始为第二电容C₂充电。当脉冲整形电路5输出的方波信号CLK_INT处于低电平时，所述第三开关S₃和第四开关S₄断开，第一电容C₁和第二电容C₂停止充电，当方波信号CLK_INT处于高电平时继续充电，如此往复，直至第一电容C₁两端的电压V_P和第二电容C₂两端的电压V_N分别达到第一电平检测电路12的阈值电压V_P,TH和第二电平检测电路22的阈值电压V_N,TH时，所述第一电平检测电路12与所述第二电平检测电路22的输出信号翻转，同样使得第一电容C₁和第二电容C₂形成与输入时钟信号的周期正相关的延时信号。

本发明所述的第一开关单元11和第二开关单元21可以采用对称结构，也可以采用不对称结构，即所述第一开关单元和第二开关单元可以为以下四种组合中的任意一种：第一开关单元11为所述第三开关S₃，第二开关单元21为所述第四开关S₄；第一开关单元11为所述第三开关S₃，第二开关单元21为所述第二复合开关23；第一开关单元11为所述第一复合开关13，第二开关单元21为所述第四开关S₄；第一开关单元11为所述第一复合开关13，第二开关单元21为所述第二复合开关23。

图7是本发明所述脉冲整形电路5实施例一结构图。所述脉冲整形电路包括电流源、第三P型MOS管PM3、第一放大器201、第一或非门NOR1、第二或非门NOR2、第一缓冲器BUF1、第二缓冲器BUF2、第三电容C₃以及第三N型MOS管NM3，

所述电流源输出端连接至第三P型MOS管PM3源极端，第三P型MOS管PM3漏极通过第三电容C₃接地，所述第一放大器正输入端连接至第三P型MOS管PM3漏极端，负输入端接第一参考电压端V_R1，第一放大器输出端连接至所述第一或非门NOR1的第二输入端，所述第一或非门NOR1的第一输入端接复位信号端RESET，第三输入端连接至第二或非门NOR2的输出端，第一或非门NOR1的输出端连接至第二或非门NOR2的第一输入端及所述第一缓冲器BUF1的输入端，第一缓冲器BUF1的输出端作为脉冲整形电路的输出端，所述第二或非门NOR2的第二输入端连接至时钟信号CLK作为脉冲整形电路的输入端，第二或非门NOR2的输出端通过第二缓冲器BUF2连接至第三P型MOS管PM3和第三N型MOS管NM3的栅极，所述第三N型MOS管NM3的漏极连接至第三P型MOS管PM3的漏极，第三N型MOS管NM3的源极接地。

图8是本发明所述脉冲整形电路实施例二结构图；该实施例与实施例一的区别在于所述第二或非门NOR2的第二输入端连接至第二放大器202的输出端，所述第二放大器202的正输入端连接至第二参考电压端V_R2,负输入端连接至时钟信号CLK作为脉冲整形电路的输入端。

所述脉冲整形电路5用于将输入的时钟信号CLK整形为与输入时钟信号的周期保持一致，且周期内高电平的时间为恒定时间的方波信号CLK_INT，为保证各种不同频率的时钟信号经过脉冲整形电路5整形后，周期内高电平的时间长度恒定，需要确保所述脉冲整形电路5中的第三电容C₃具有严格恒定的电容容值。为消除由于工艺偏差等因素对电容容值造成不一致的缺陷，本发明所述脉冲整形电路5所采用的第三电容C₃可采用激光修调等校准技术校准，或者采用精度较高的外置电容。

图9是本发明所述PTAT电流产生电路10的电路图。如图所示，所述PTAT电流产生电路10包括第四P型MOS管PM4、第五P型MOS管PM5、第六P型MOS管PM6、第四N型MOS管NM4、第五N型MOS管NM5和第一电阻R1。

所述第四P型MOS管PM4、第五P型MOS管PM5和第六P型MOS管PM6的源极均连接至电源V_DD，栅极分别相连构成电流镜。所述第四P型MOS管PM4的漏极与第四N型MOS管NM4的漏极连接，所述第四N型MOS管NM4的漏极与其栅极连接，其源极接地；所述第五P型MOS管PM5的漏极与其栅极连接，同时还与第五N型MOS管NM5的漏极连接，所述第五N型MOS管NM5的栅极与第四N型MOS管NM4的栅极连接，第五N型MOS管NM5的源极与第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻R1的另一端接地；第六P型MOS管PM6的源极连接至电源V_DD，其漏极作为PTAT电流产生电路10的输出端输出电流I_PTAT。

图10是本发明所述CTAT电流产生电路20电路图。如图10所示，所述CTAT电流产生电路20包括第七P型MOS管PM7、第八P型MOS管PM8、第三放大器203、第二电阻R2和二极管D1。

所述第三放大器203的正电源端、第七P型MOS管PM7的源极和第八P型MOS管PM8的源极共同连接至电源V_DD；所述第三放大器203的负输入端与二极管D1的正极连接，所述二极管D1的负极接地；所述第三放大器203的正输入端与第七P型MOS管PM7的漏极连接；所述第三放大器203的负电源端直接接地；所述第七P型MOS管PM7的漏极与第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端接地；所述第三放大器203的输出端连接至第七P型MOS管PM7的栅极，所述第八P型MOS管PM8的栅极连接至第七P型MOS管PM7的栅极，与第七P型MOS管PM7构成电流镜，所述第八P型MOS管PM8的漏极作为CTAT电流产生电路20的输出端输出电流I_CTAT。

本发明所述的PTAT延时电路1中的第一电平检测电路12和CTAT延时电路2中的第二电平检测电路22的结构相同，下面结合附图11详细描述所述电平检测电路的结构。

如图11所示，所述电平检测电路12包括一个比较器121。

所述比较器121的正输入端作为电平检测电路12的输入端V_in，其负输入端连接至参考电压端，其输出端作为电平检测电路12的输出端V_out。

图12是本发明所述温度传感器电路100采用两个不同频率的时钟信号工作时序图的比较图，为显示清楚，该图例中只显示出时钟信号的相关部分。如图所示，第一时钟信号CLK1经过脉冲整形电路输出第一方波信号CLK_INT1，第一方波信号的每个周期内高电平时间长度恒定为，且频率与第一时钟信号CLK1相同。用上述第一方波信号CLK_INT1控制第一电容和第二电容的充电时间，CLK_INT1为高电平时对第一电容和第二电容充电，低电平时停止对其充电。由于第一方波信号CLK_INT1的高电平时间恒定为T_pulse，因此，假定第一电容的有效充电时间为n个T_Pulse，第二电容的有效充电时间为m个T_Pulse（m、n为自然数），则第一电容充电形成的延时

即T_P,D=n*T_CLK1，同理，第二电容充电形成的延时

即T_N,D=mT_CLK1，则异或运算后得到脉冲信号PW，PW的脉冲宽度T_PW1=(m-n)*T_CLK1。计数器采用第一方波信号CLK_INT1对脉冲信号PW的脉冲宽度T_PW1进行量化，量化结果为

个CLK1周期，因此，附图12中计数结果k应等于m-n。

同样原理，当时钟信号为CLK2时，第二时钟信号CLK2经过脉冲整形电路输出第二方波信号CLK_INT2，第二方波信号的每个周期内高电平时间长度亦恒定为，且频率与第二时钟信号CLK2相同。用上述第二方波信号CLK_INT2控制第一电容和第二电容的充电时间，同样CLK_INT2为高电平时对第一电容和第二电容充电，低电平时停止对其充电。由于第二方波信号CLK_INT2的高电平时间也恒定为T_pulse，因此第一电容有效充电时间同样为n个T_Pulse，第二电容有效充电时间同样为m个T_Pulse，与采用第一时钟信号的情况相同，同理可推导出脉冲信号PW的脉冲宽度T_PW2=（m-n）*T_CLK2。计数器采用第二时钟信号CLK2对T_PW2进行量化，量化结果为

个CLK2周期，因此，附图12中计数结果s同样等于m-n。

综上分析，虽然CLK1与CLK2频率不同，但本发明所述温度传感器针对两个不同频率的时钟信号的输出结果均等于m-n。可以看出，本发明所述的温度传感器100的温度输出值D_out可以不受时钟信号频率的影响，解决了现有时间域集成温度传感器的时间数字转换器对温度信号处理时，温度值随时钟信号周期变化而读数不一致的问题，一定程度提高了时间域集成温度传感器读数的精度。

图13是本发明所述温度传感器电路100实施例的工作时序图。如图所示，参考时钟周期为T_CLK，经脉冲整形电路5整形后的方波信号的周期与输入时钟信号的周期相同，周期内的高电平时间均为T_PULSE，所述第一电平检测电路12的输出信号V_P,D的上升沿延时为T_P,D，即为n个时钟周期T_CLK，所述第二电平检测电路22的输出信号V_N,D的上升沿延时为T_N,D，即为m个时钟周期T_CLK，所述异或门输出的脉冲信号的脉冲宽度为T_PW。

以所述第二电平检测电路22的输出电压V_N,D为例，其上升沿延时T_N,D计算过程如下：

第二电容C₂两端的电压由0上升到V_N,TH，所述第二电容C₂的充电电荷量为Q，可以由以下表达式得到：

Q=C₂*V_N,TH  （1）

其中，V_N,TH为所述第二电平检测电路22的阈值电压，即其输入电压高于V_N,TH时，输出为高；若其输入电压低于V_N,TH时，输出为低。

另一方面，在所述第二电容C₂两端电压由0上升至V_N,TH期间，充电电流I_CTAT提供的电荷总量应等于第二电容C₂两端的充电电荷量Q，因此Q还可以用以下表达式得到：

Q=m*T_pulse*I_CTAT  （2）

T_N,D=m*T_CLK  （3）

由上述式（1）、（2）和（3）可以得到：

$T_{N,D}=\frac{C_2*V_{N,\mathrm{TH}}}{I_{\mathrm{CTAT}}*T_{\mathrm{pulse}}}*T_{\mathrm{CLK}}---\left(4\right)$

同样，可以得到所述第一电容C₁两端的充电电荷量：

Q’=C₁*V_P,TH  （5）

所述Q’还可以用以下表达式得到：

Q’=n*T_pulse*I_PTAT  （6）

T_P,D=n*T_CLK  （7）

由上述式（5）、（6）和（7）可以得到：

$T_{P,D}=\frac{C_1*V_{P,\mathrm{TH}}}{I_{\mathrm{PTAT}}*T_{\mathrm{pulse}}}*T_{\mathrm{CLK}}---\left(8\right)$

其中V_P,TH为所述第一电平检测电路12的阈值电压，所述脉冲信号的脉冲宽度T_PW可由以下表达式得到：

T_PW=T_N,D-T_P,D  （9）

将上述式（4）和式（8）代入式（9）得到：

$T_{\mathrm{PW}}=\frac{T_{\mathrm{CLK}}}{T_{\mathrm{pulse}}}*(\frac{C_2*V_{N,\mathrm{TH}}}{I_{\mathrm{CTAT}}}-\frac{C_1*V_{P,\mathrm{TH}}}{I_{\mathrm{PTAT}}})---\left(10\right)$

温度传感器的计数器输出：

$D_{\mathrm{out}}=\frac{T_{\mathrm{PW}}}{T_{\mathrm{CLK}}}=\frac{1}{T_{\mathrm{pulse}}}*(\frac{C_2*V_{N,\mathrm{TH}}}{I_{\mathrm{CTAT}}}-\frac{C_1*V_{P,\mathrm{TH}}}{I_{\mathrm{PTAT}}})---\left(11\right)$

由上述式（11）可以看出，本发明所述的温度传感器电路100的计数器输出D_out与时钟信号周期T_CLK无关，则计数器输出D_out对应的温度读数也与时钟信号周期无关。因此，本发明所述的温度传感器所测得的温度读数不受时钟信号周期变化的影响，从而保证了在不同时钟信号下温度传感器读数的一致性，一定程度上提高了测量精度。

Claims (6)

1.时间域集成温度传感器，包括PTAT延时电路、CTAT延时电路、异或门以及计数器，所述异或门的两个输入端分别连接至PTAT延时电路的输出端和CTAT延时电路的输出端，所述异或门的输出端与计数器的使能端连接，所述计数器的时钟信号输入端连接至所述温度传感器的时钟输入端口，

所述PTAT延时电路包括PTAT电流产生电路、第一电容、第一开关和第一电平检测电路，所述PTAT电流产生电路输出端连接至第一电容的正极端和第一开关，以及所述第一电平检测电路的输入端，第一电容与第一开关并联连接并接地，所述第一电平检测电路的输出端连接至所述异或门的第一输入端，

所述CTAT延时电路包括CTAT电流产生电路、第二电容、第二开关和第二电平检测电路，所述CTAT电流产生电路输出端连接至第二电容的正极端和第二开关，以及所述第二电平检测电路的输入端，第二电容与第二开关并联连接并接地，所述第二电平检测电路的输出端连接至所述异或门的第二输入端，其特征在于，

所述PTAT电流产生电路的输出端连接有第一开关单元，所述第一开关单元输出端连接至第一电容的正极端，第一开关单元的控制端通过脉冲整形电路连接至所述温度传感器的时钟输入端口；

所述CTAT电流产生电路的输出端连接有第二开关单元，所述第二开关单元输出端连接至第二电容的正极端，第二开关单元的控制端通过脉冲整形电路连接至所述温度传感器的时钟输入端口；

所述脉冲整形电路输入端连接至所述温度传感器的时钟输入端口，脉冲整形电路输出端分别连接至所述第一开关单元的控制端、第二开关单元的控制端，以及计数器的时钟信号输入端，用于将输入的时钟信号整形为与输入时钟信号的周期保持一致，且周期内高电平的时间为恒定时间的方波信号，并利用该方波信号控制所述第一开关单元和第二开关单元的闭合与断开，以及采用该方波信号作为计数器的时钟在脉冲信号高电平期间进行计数，计数结果即为脉冲信号脉冲宽度的量化结果。

2.根据权利要求1所述的时间域集成温度传感器，其特征在于，所述第一开关单元为第三开关，所述第三开关的输入端连接至PTAT电流产生电路的输出端，控制端连接至脉冲整形电路输出端，输出端连接至第一电容的正极端。

3.根据权利要求1所述的时间域集成温度传感器，其特征在于，所述第一开关单元为第一复合开关，所述第一复合开关包括并联连接的第一N型MOS管和第一P型MOS管，所述第一N型MOS管漏极连接至所述第一P型MOS管源极并连接至PTAT电流产生电路的输出端，所述第一N型MOS管源极连接至所述第一P型MOS管漏极并连接至第一电容的正极端，所述第一N型MOS管栅极连接至脉冲整形电路输出端，所述第一P型MOS管栅极通过反相器连接至脉冲整形电路输出端。

4.根据权利要求1所述的时间域集成温度传感器，其特征在于，所述第二开关单元为第四开关，所述第四开关的输入端连接至CTAT电流产生电路的输出端，控制端连接至脉冲整形电路输出端，输出端连接至第二电容的正极端。

5.根据权利要求1所述的时间域集成温度传感器，其特征在于，所述第二开关单元为第二复合开关，所述第二复合开关包括并联连接的第二N型MOS管和第二P型MOS管，所述第二N型MOS管漏极连接至所述第二P型MOS管源极并连接至CTAT电流产生电路的输出端，所述第二N型MOS管源极连接至所述第二P型MOS管漏极并连接至第二电容的正极端，所述第二N型MOS管栅极连接至脉冲整形电路输出端，所述第二P型MOS管栅极通过反相器连接至脉冲整形电路输出端。

6.根据以上任一权利要求所述的时间域集成温度传感器，其特征在于，所述脉冲整形电路包括电流源、第三P型MOS管、第一放大器、第一或非门、第二或非门、第一缓冲器、第二缓冲器、第三电容以及第三N型MOS管，

所述电流源输出端连接至第三P型MOS管源极端，第三P型MOS管漏极通过第三电容接地，所述第一放大器正输入端连接至第三P型MOS管漏极端，负输入端接第一参考电压端，第一放大器输出端连接至所述第一或非门的第二输入端，所述第一或非门的第一输入端接复位信号端，第三输入端连接至第二或非门的输出端，第一或非门的输出端连接至第二或非门的第一输入端及所述第一缓冲器的输入端，第一缓冲器的输出端作为脉冲整形电路的输出端，所述第二或非门的第二输入端连接至时钟信号端作为脉冲整形电路的输入端，第二或非门的输出端通过第二缓冲器连接至第三P型MOS管和第三N型MOS管的栅极，所述第三N型MOS管的漏极连接至第三P型MOS管的漏极，第三N型MOS管的源极接地。

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