CN104374484A - 温度感测装置、切换电容装置及其电压积分电路 - Google Patents

温度感测装置、切换电容装置及其电压积分电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种温度感测装置、切换电容装置以及电压积分电路。电压积分电路包括运算放大器、电容以及电流源。运算放大器具有正相输入端、反相输入端以及输出端。运算放大器的输出端产生输出电压，且其正相输入端接收参考电压。电容耦接于运算放大器的输出端与反相输入端之间。电流源耦接于运算放大器的输出端。电流源从电容汲取复制电流，且此复制电流的电平是依据流入运算放大器其反相输入端的电流的电平来决定。

Description

温度感测装置、切换电容装置及其电压积分电路
技术领域
本发明是有关于一种电压积分电路，且特别是有关于一种具有低增益且/或低速运算放大器的温度感测装置、切换电容装置及其电压积分电路。
背景技术
请参照图1，图1是传统电压积分器100的电路图。电压积分器100包括电容C1与运算放大器OP1。运算放大器OP1具有正相输入端、反相输入端以及输出端。运算放大器的正相输入端接收参考电压Vref。电容C1耦接于运算放大器OP1的反相输入端与输出端之间。运算放大器OP1的反相输入端接收电流IIN，且运算放大器OP1的输出端产生输出差值（output delta）Vout。
在电压积分器100的运作中，电流IIN流入运算放大器OP1的反相输出端，且运算放大器其输出端上的输出电压Vout可以如公式(1)所示：
输出差值Vout=IIN×C1×t+Vneg，其中t代表时间。
若运算放大器OP1的增益够大（即大于60dB），则运算放大器OP1其反相输入端上的电压Vneg与参考电压Vref几乎相等，故输出差值Vout=IIN×C1×t+Vref。然而，若运算放大器OP1的增益不够大时，输出差值Vout=IIN×C1×t+Vref+Voffset，其中电压Voffset为运算放大器OP1的偏移电压（offset voltage）。
当电流IIN流入运算放大器OP1时，输出电压Vout可被运算放大器OP1的输出状态拉低（或拉升）。若运算放大器OP1不具高增益或运算放大器OP1的响应时间（response time）很慢，运算放大器OP1将具有可变的电压Voffset，电压积分器的性能也会因此而降低。
发明内容
本发明提供一种温度感测装置、切换电容装置及其电压积分电路，藉以提供具有高度准确的输出电压。
本发明提供一种具有上述电压积分电路的温度感测装置。
本发明还提供一种具有上述电压积分电路的切换电容装置。
电压积分电路包括运算放大器、电容以及电流源。运算放大器具有正相输入端、反相输入端以及输出端。运算放大器的输出端产生输出电压，且其正相输入端接收参考电压。电容耦接于运算放大器的输出端与反相输入端之间。电流源耦接于运算放大器的输出端。电流源从电容汲取复制电流，且此复制电流的电平是依据流入运算放大器其反相输入端的电流的电平来决定。
温度感测装置包括电流产生器以及电压积分电路。电流产生器依据环境温度而产生温度感测电流。电压积分电路包括运算放大器、电容以及电流源。运算放大器具有正相输入端、反相输入端以及输出端。运算放大器的输出端产生输出电压，其正相输入端接收参考电压，且运算放大器的反相输入端接收温度感测电流。电容耦接于运算放大器的输出端与反相输入端之间。电流源耦接于运算放大器的输出端。电流源从电容汲取复制电流，且复制电流的电平是依据温度感测电流的电平来决定。
切换电容装置包括切换电容电路以及电压积分电路。切换电容电路具有第一电容，且切换电容电路切换第一电容以接收输入电压或参考电压，并藉以产生输出电流。电压积分电路耦接于切换电容电路以接收输出电流。电压积分电路包括第一运算放大器、第二电容以及电流源。第一运算放大器具有正相输入端、反相输入端以及输出端。第一运算放大器的输出端产生输出电压。正相输入端接收一参考电压，且该运算放大器的反相输入端接收该输出电流。第二电容耦接于第一运算放大器的输出端与反相输入端之间。电流源耦接于第一运算放大器的输出端。电流源从第二电容汲取复制电流，且复制电流的电平是依据输出电流的电平来决定。
因此，本发明提供一种电压积分电路，以及用以从电压积分电路中的运算放大器的电容汲取复制电流的电流源。因此，运算放大器其反相输入端上的电压为常数，而与流入运算放大器其反相输入端的电流的变化无关。也就是说，运算放大器的偏移电压在电压积分电路运作期间不会改变，进而实现通过电压积分电路来产生高度准确的输出电压。
为让本案的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是传统电压积分器100的电路图；
图2是本发明一实施例所示出的电压积分电路200的电路图；
图3A是本发明一实施例所示出的温度感测装置300的电路图；
图3B示出温度感测码（Temperature sensor code）对于环境温度的关系示意图；
图4是切换电容装置400的电路图。
附图标记说明：
100：电压积分器；
200：电压积分电路；
210、410：电流源；
300：温度感测装置；
310：第一电流源；
330：电流产生器；
400：切换电容装置；
430：切换电容电路；
C1、C2、C3：电容；
CTB：控制信号；
CT：反向控制信号；
GND：参考电压；
IE1：正相输入端；
IE2：反相输入端；
IIN：电流；
IIN1：温度感测电流；
IIN2：输出电流；
IIN_RE：复制电流；
INV1：反向器；
IS1：第二电流源；
IS2：第三电源源；
OE：输出端；
OP1、OP2：运算放大器；
ph1、ph2：控制信号；
SW1～SW4、SW41～SW48：开关；
TA：端点；
VCC：参考电压；
Vclamp：箝位电压；
Vin：输入电压；
Vneg：反相输入端上的电压；
Vout：输出电压；
Vref：参考电压；
W1、W2：曲线。
具体实施方式
请参照图2，图2是本发明一实施例所示出的电压积分电路200的电路图。电压积分电路200包括运算放大器OP1、电容C1以及电流源210。运算放大器OP1具有正相输入端IE1、反相输入端IE2以及输出端OE。运算放大器OP1的输出端OE产生输出电压Vout，运算放大器OP1并经由正相输入端IE1接收参考电压Vref。电流IIN流入运算放大器OP1的反相输入端IE2，因此在运算放大器OP1的反相输入端IE2上产生电压Vneg。运算放大器OP1在其输出端OE上产生输出电压Vout。电流源210耦接于运算放大器OP1的输出端OE以及电容C1，且电流源210用来从电容C1汲取复制电流IIN_RE。在此请注意，复制电流IIN_RE会依据电流IIN而变化。详细来说，复制电流IIN_RE的电平正比于流入运算放大器OP1其反相输入端IE2的电流的电平。此外，当电流IIN因变化的复制电流IIN_RE以及运算放大器OP1的负反馈而变化时，反相输入端上的电压Vneg可维持在定值。
由于在运算放大器OP1其反相输入端IE2上的电压Vneg为定值，运算放大器OP1的偏移电压不会改变。若运算放大器OP1是低增益运算放大器，则输出电压Vout=IIN×C1×t+Vref+Voffset（其中电压Voffset为运算放大器OP1的偏移电压）。因为电压Voffset为定值，故并不需额外对运算放大器OP1拉升或拉低输出电压Vout。
若运算放大器OP1的响应速度很慢，运算放大器OP1实际上不需要大幅拉升或拉低其输出电压Vout。如此一来，具有低响应速度的运算放大器OP1可用于相对高速电路。
请参照图3A，图3A是本发明一实施例所示出的温度感测装置300的电路图。温度感测装置300包括电流产生器330，以及由运算放大器OP1、电容C1和第一电流源310组成的电压积分电路。第一电流源310为电流镜。电流产生器330通过感测环境温度以产生温度感测电流IIN1。详细来说，电流产生器330包括第二电流源IS1、第三电流源IS2以及开关SW1～SW4。第二电流源IS1耦接参考电压VCC，且第二电流源IS1提供具有第一温度系数的第一电流。第三电流源IS2耦接参考电压GND，且第三电流源IS2提供具有第二温度系数的第二电流。其中，第一和第二温度系数为互补。在本实施例中，第一温度系数为正温度系数，而第二温度系数为负温度系数。
开关SW1耦接于第二电流源IS1与端点TA之间，并受控于控制信号CTB以连接或断开第二电流源IS1和端点TA之间的连接路径。当开关SW1为闭合时，第二电流源IS1提供第一电流至端点TA，而当开关SW1为断开时，第二电流源IS1停止提供第一电流至端点TA。第二开关SW2耦接于端点TA与第三电流源IS2之间。开关SW2受控于反向控制信号CT。当开关SW2闭合时，电流源IS2提供第二电流至端点TA，而当开关SW2断开时，第三电流源IS2停止提供第二电流至端点TA。
开关SW3耦接于第二电流源IS1与箝位电压（clamping voltage）Vclamp之间。开关SW3受控于反向控制信号CT以开启（闭合）或关闭（断开）。开关SW4耦接于第二电流源IS2与箝位电压Vclamp之间。开关SW4受控于控制信号CTB以开启（闭合）或关闭（断开）。
在温度感测装置300的运作中，第二电流源IS1和第三IS2用以感测环境温度。当环境温度增高时，第二电流源IS1产生的第一电流增加，而第三电流源IS2产生的第二电流因此减少。通过开关SW1至SW4的切换动作，温度感测电流IIN1根据增加的环境温度而增加，运算放大器OP1因此产生相对应的输出电压Vout。相对而言，当环境温度降低时，第二电流源IS1产生的第一电流减少，而第三电流源IS2产生的第二电流因此增加。通过开关SW1～SW4的切换动作，温度感测电流IIN1依据降低的环境温度而减少.运算放大器OP1也因此产生相对应的输出电压Vout。
另一方面，通过将反向控制信号CT流入至反向器INV1，控制信号CTB可经由反向器INV1而产生。此外，在本实施例中，参考电压Vref与箝位电压Vclamp可为相同。
在此请注意，通过维持反相输入端上的电压Vneg为定值，当环境温度改变时，运算放大器OP1的偏移电压将不会改变。也就是说，运算放大器OP1可产生准确的输出电压Vout。
请参照图3B，图3B示出温度感测码对于环境温度的关系示意图，其中温度感应码是依据来自运算放大器OP1的输出电压Vout而产生。曲线W1是对于图3A的实施例的关系曲线，曲线W2则是通过使用图1的电压积分器100而得到的关系曲线。可以明显看出，曲线W2上具有大变化。
请参照图4，图4是切换电容装置400的电路图。切换电容装置400包括切换电容电路430，以及由电流源410、运算放大器OP1与电容C1组成的电压积分电路。切换电容电路430具有电容C2，且切换电容电路430切换电容C2以接收输入电压Vin或参考电压Vref，藉以产生输出电流IIN2。切换电容电路430还包括开关SW45-SW48。开关SW45耦接于输入电压Vin与电容C2之间，并依据控制信号ph1决定是否传送输入电压Vin至电容C2的第一端。开关SW46耦接于参考电压Vref与电容C2之间，并依据控制信号ph2决定是否传送参考电压Vref至电容C2的第一端。开关SW47耦接于电容C2与运算放大器OP1之间，并用以依据控制信号ph2决定是否连接电容C2的第二端至运算放大器OP1的反相输入端。开关SW48耦接于电容C2与参考电压Vref之间，并用以依据控制信号ph1决定是否连接电容C2的第二端至参考电压Vref。
在本实施例中，开关SW45与开关SW46不会同时开启，且开关SW47与开关SW48不会同时开启。
电流源410包括运算放大器OP2、电容C3以及开关SW41-44。运算放大器OP2的一输入端耦接于运算放大器OP1的输出端。开关SW41耦接于参考电压Vref与电容C3之间，并依据控制信号ph1决定是否传送参考电压Vref至电容C3的第一端。开关SW42耦接于输入电压Vin与电容C3之间，并依据控制信号ph2决定是否传送输入电压Vin至电容C3的第一端。开关SW43耦接于电容C3与运算放大器OP1的输出端之间，并依据控制信号ph2决定是否连接运算放大器OP1的输出端至电容C3的第二端。开关SW44耦接于电容C3与运算放大器OP2的输出端之间，并依据控制信号ph1决定是否连接运算放大器OP2的输出端至电容C3的第二端。
在本实施例中，开关SW41与SW42不会同时开启，且开关SW43与开关SW44不会同时开启。
综上所述，本发明提供一种用以从电压积分电路中的电容汲取复制电流的电流源。复制电流的电平会依据流入电压积分电路中运算放大器其反相输入端的电平而改变。也就是说，运算放大器其反相输入端上的电压可维持定值，且运算放大器的偏移电压不会改变。因此，无论运算放大器是低增益和/或运算放大器的响应时间很慢，皆可实现通过电压积分电路来产生高度准确的输出电压。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (16)

1.一种电压积分电路，其特征在于，包括：
一运算放大器，具有一正相输入端、一反相输入端以及输出端，该运算放大器的输出端产生一输出电压，且该正相输入端接收一参考电压；
一电容，耦接于该运算放大器的输出端与该反相输入端之间；以及
一电流源，耦接于该运算放大器的该输出端，该电流源从该电容汲取一复制电流，且该复制电流的电平是依据流入该运算放大器的该反相输入端的电流的电平来决定。
2.根据权利要求1所述的电压积分电路，其特征在于，该运算放大器的该反相输入端上的电压的电压准位为定值。
3.根据权利要求1所述的电压积分电路，其特征在于，该复制电流的电平正比于流入该运算放大器的该反相输入端的电流的电平。
4.根据权利要求1所述的电压积分电路，其特征在于，该复制电流是通过镜射流入该运算放大器的该反相输入端的电流而产生。
5.根据权利要求4所述的电压积分电路，其特征在于，该电流源包括：
一电流镜，耦接于该运算放大器的输出端，该电流镜产生该复制电流，且该复制电流是通过镜射流入该运算放大器的该反相输入端的电流而产生。
6.一种温度感测装置，其特征在于，包括：
一电流产生器，依据一环境温度而产生一温度感测电流；以及
一电压积分电路，耦接该电流产生器，包括：
一运算放大器，具有一正相输入端、一反相输入端以及输出端，该运算放大器的输出端产生一输出电压，该正相输入端接收一参考电压，且该运算放大器的该反相输入端接收该温度感测电流；
一电容，耦接于该运算放大器的该输出端与该反相输入端之间；以及
一第一电流源，耦接于该运算放大器的该输出端，该第一电流源从该电容汲取一复制电流，且该复制电流的电平是依据该温度感测电流的电平来决定。
7.根据权利要求6所述的温度感测装置，其特征在于，该运算放大器的该反相输入端上的电压的一电压准位为定值。
8.根据权利要求6所述的温度感测装置，其特征在于，该复制电流的电平正比于该温度感测电流的电平。
9.根据权利要求6所述的温度感测装置，其特征在于，该复制电流是通过镜射该温度感测电流而产生。
10.根据权利要求9所述的温度感测装置，其特征在于，该第一电流源包括：
一电流镜，耦接于该运算放大器的该输出端，该电流镜产生通过镜射该温度感测电流而产生的该复制电流。
11.根据权利要求6所述的温度感测装置，其特征在于，该电流产生器包括：
一第二电流源，提供具有一第一温度系数的一第一电流；
一第三电流源，提供具有一第二温度系数的一第二电流，该第一温度系数与该第二温度系数为互补；
一第一开关，耦接于该第二电流源与该运算放大器的该反向输入端之间，该第一开关受控于一控制信号以开启或关闭；
一第二开关，耦接于该第三电流源与该运算放大器的该反向输入端之间，该第二开关受控于一反向控制信号以开启或关闭，其中该第一开关与该第二开关的状态为互补；
一第三开关，耦接于该第二电流源与一箝位电压之间，该第三开关受控于该反向控制信号以开启或关闭；以及
一第四开关，耦接于该第三电流源与该箝位电压之间，该第四开关受控于该控制信号以开启或关闭，其中该第三开关与该第四开关的状态为互补，且该第三开关与该第一开关的状态为互补。
12.一种切换电容装置，其特征在于，包括：
一切换电容电路，该切换电容电路具有一第一电容，且该切换电容电路切换该第一电容以接收一输入电压或一参考电压，并藉以产生一输出电流；以及
一电压积分电路，耦接于该切换电容电路以接收该输出电流，该电压积分电路包括：
一第一运算放大器，具有一正相输入端、一反相输入端以及输出端，该第一运算放大器的输出端产生一输出电压，该正相输入端接收该参考电压，且该运算放大器的该反相输入端接收该输出电流；
一第二电容，耦接于该第一运算放大器的输出端与该反相输入端之间；以及
一电流源，耦接于该第一运算放大器的输出端，该电流源从该第二电容汲取一复制电流，且该复制电流的一电平是依据该输出电流的电平来决定。
13.根据权利要求12所述的切换电容装置，其特征在于，该第一运算放大器的该反相输入端上的电压的电压准位为定值。
14.根据权利要求12所述的切换电容装置，其特征在于，该复制电流的电平正比于该输出电流的电平。
15.根据权利要求12所述的切换电容装置，其特征在于，该电流源包括：
一第二运算放大器，该第二运算放大器的一输入端耦接于该第一运算放大器的输出端；
一第三电容，具有第一端以及第二端；
一第一开关，依据一第一控制信号来决定是否传送该参考电压至该第三电容的第一端；
一第二开关，依据一第二控制信号来决定是否传送该输入电压至该第三电容的第一端；
一第三开关，用以依据该第二控制信号决定是否连接该第一运算放大器的该输出端至该第三电容的该第二端；以及
一第四开关，用以依据该第一控制信号决定是否连接该第二运算放大器的输出端至该第三电容的该第二端。
16.根据权利要求15所述的切换电容装置，其特征在于，该切换电容电路还包括：
一第五开关，依据该第一控制信号来决定是否传送该输入电压至该第一电容的第一端；
一第六开关，依据该第二控制信号来决定是否传送该参考电压至该第一电容的第一端；
一第七开关，用以依据该第二控制信号决定是否连接该第一电容的第二端至该第一运算放大器的该反相输入端；以及
一第八开关，用以依据该第一控制信号决定是否连接该第一电容的第二端至该参考电压。
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