CN104422536A - 采用斩波技术的高精度温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用斩波技术的高精度温度传感器。该高精度温度传感器至少包括：温度传感器本体及连接温度传感器本体的滤波单元；其中，温度传感器本体包含的运算放大器和/或比较器中，至少一者具有斩波功能，温度传感器本体在每一个斩波相位都产生一个数据输出，且滤波单元在每一个斩波相位均基于所述温度传感器本体的当前输出数据与之前输出的2N-1个输出数据的平均值来输出当前感测结果；N为大于等于1的整数。由此可见，由于所有或者部分影响检测精度的运算放大器和比较器均采用斩波技术，使得系统中的直流失调信息体现在相邻的两个ADC数字输出值中，最后通过2N点移动平均的方式消除直流失调电压，由此可有效提高温度传感器精度。

Description

采用斩波技术的高精度温度传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种采用斩波技术的高精度温度传感器。

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，都需要温度的测量与控制。随着IC工艺技术的发展，具有数字输出功能的集成温度传感器成为一个重要的趋势，集成温度传感器主要由温度传感、基准电路、模数转换电路、控制电路等构成，和传统温度传感器相比有很多优点：体积小，功耗低，输出特性好，可直接与数字系统连接。

例如，在申请号为03210314.X的中国专利文献中，公开了一种温度测量电路。该温度测量电路通过温度感测电路将温度转换为电压信号vin，再经过模数转换电路输出数字信号，其中，温度感测电路有两种实现方式，一种是提供晶体管发射极电流的恒流源与PNP管连接、PNP管发射极与放大器连接，放大器输出连接模数转换电路；另一种是固定偏置电压的NMOS管M0和M1分别与PNP管Q0和Q1连接，PNP管Q1和Q0的发射极分别与放大器的正负输入端连接，放大器输出连接模数转化电路，其中，NMOS管M0和M1的面积比为1：N，PNP管Q1和Q0的面积比为M：1。

此外，在申请号为200910247176.6的中国专利文献中，公开了一种CMOS开关电流温度传感器电路及其控制方法；在专利号为6183131的美国专利文献中公开了一种线性型温度传感器等，该些温度传感器采用温度检测和模数转换方案均能实现温度的测量。

然而，该些温度传感器中的模数转换电路中的比较器或者运算放大器存在输入失调，还有基准、温度感测和控制电路中所有运算放大器的输入失调电压等非理想因素，均会影响温度检测精度，故难以应用在需要高精度的温度传感器的场合，故，迫切需要对现有温度传感器进行改进，以提高其检测精度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用斩波技术的高精度温度传感器，用于解决运算放大器及比较器等的输入失调电压对感测精度的影响。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种采用斩波技术的高精度温度传感器，其至少包括：

温度传感器本体及连接所述温度传感器本体的滤波单元；其中，所述温度传感器本体包含的运算放大器和/或比较器中，至少一者具有斩波功能，所述温度传感器本体在每一个斩波相位都产生一个数据输出，且所述滤波单元在每一个斩波相位均基于所述温度传感器本体的当前输出数据与之前输出的2N-1个输出数据的平均值来输出当前感测结果；N为大于等于1的整数。

优选地，所述温度传感器本体包括基于三极管BE结来感测温度的温度传感器；更为优选地，所述温度传感器本体包含的模数转换器可为逐次逼近型模数转换器或sigma-delta模数转换器等。

优选地，所述温度传感器本体包含的基准电路中的运算放大器为具有斩波功能的放大器。

优选地，所述温度传感器本体包含的信号放大器为具有斩波功能的放大器。

优选地，当模数转换器包含比较器和/或运算放大器时，则该比较器和/或运算放大器优选为具有斩波功能的比较器。

如上所述，本发明的采用斩波技术的高精度温度传感器，具有以下有益效果：所有或者部分影响检测精度的运算放大器和比较器均采用斩波技术，整个系统采用相同的斩波时序，且在每一个斩波相位温度传感器本体都产生一个数据输出，这样使得系统中的直流失调信息体现在相邻的两个ADC数字输出值中，最后通过2N（N为自然数）点移动平均的方式消除直流失调电压，由此来有效提高温度传感器精度。

附图说明

图1显示为本发明的采用斩波技术的高精度温度传感器示意图。

图2显示为本发明的采用斩波技术的高精度温度传感器的一种优选示意图。

图3显示为本发明的采用斩波技术的高精度温度传感器的一种优选电路示意图。

图4显示为图3所示的高精度温度传感器的2点移动平均输出示意图。

元件标号说明

1                        高精度温度传感器

11                       温度传感器本体

12                       滤波单元

111                      基准和温度感测电路

112、113、115            具有斩波功能的运算放大器

114                      逐次逼近型模数转换电路

116               比较器

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种采用斩波技术的高精度温度传感器。所述高精度温度传感器1至少包括：温度传感器本体11及滤波单元12。

所述温度传感器本体11用于感测温度，且其所包含的运算放大器及比较器中的至少一者具有斩波功能，所述温度传感器本体11在每一个斩波相位都产生一个数据输出。

其中，所述温度传感器本体11可包括任何一种具有斩波功能的运算放大器和/或比较器且能感测温度的传感器，优选地，包括但不限于：基于三极管BE结来感测温度的温度传感器，而该温度传感器包含的模数转换器可为任何一种模数转换器，优选地包括但不限于：逐次逼近型模数转换器、sigma-delta模数转换器等。

例如，如图2所示，其为一种优选温度传感器本体示意图，该温度传感器包含斩波基准电路、斩波放大器1、斩波放大器2及斩波模数转换器（ADC）。其中，斩波基准电路包括具有斩波功能的运算放大器以及能提供Vbe电压或与绝对温度成正比（proportional to absolutetemperature，PTAT）的Vptat电压以及参考电压Vref的电路；所述斩波放大器1与斩波放大器2均为有斩波功能的运算放大器；所述斩波ADC为包含具有斩波功能的运算放大器的ADC。

需要说明的是，上述所示仅仅只是列示，而非对本发明的限制，事实上，任何包含有斩波功能的运算放大器和/或比较器的温度传感器本体，例如，包含模数转换器且该模数转换器中的比较器具有斩波功能的温度传感器本体，又例如，包含模数转换器且该模数转换器中的运算放大器及比较器均具有斩波功能的温度传感器本体，均包含在本发明的范围内。

所述滤波单元12在每一个斩波相位都基于所述温度传感器本体的当前输出数据与之前输出的2N-1个输出数据的平均值来输出当前感测结果；N为大于等于1的整数；优选地，所述滤波单元12可以采用数字电路，例如，累加电路及除法器等来实现，也可采用软件来实现等。

以下将以包含逐次逼近型模数转换器的温度传感器为例，来详述本发明。

如图3所示，高精度温度传感器包含温度传感器本体11及滤波单元12。其中，温度传感器本体11包括：基准和温度感测电路111、具有斩波功能的运算放大器112、113、逐次逼近型模数转换电路114；其中，基准和温度感测电路111中包含具有斩波功能的运算放大器115，逐次逼近型模数转换电路14包含一个具有斩波功能的比较器116；运算放大器115、112、113和比较器116的输入失调电压分别是V_os1、V_os2、V_os3和V_os4。

在温度传感器本体11中，运算放大器112、113接成反馈形式后放大倍数分别为C₁＝α₂β₂、C₂＝α₃β₃。基准和温度感测电路111中产生与温度呈线性关系的电压V_PTAT和参考电压V_ref，这两个电压值分别经过运算放大器112、113后产生C₂·V_PTAT和C₁·V_ref两个信号,这两个信号输入到ADC114，经模数转换后产生代表它们比值关系的数字信号C₂·V_PTAT/C₁·V_ref，该值与温度呈线性关系。

由于斩波时钟的原因，ADC114的输出信号是抖动且不准确的，如图4所示，故需要对其进行滤波，得到一个稳定的高精度的输出。若采用一个周期里的两个相位输出的数据进行平均的滤波方式，会导致最终温度数据的输出频率减半，也就是ADC输出两个数据，经滤波后只有一个数据输出，如图4中filter1_out所示，因此，基于系统处理速度和功耗的角度来考量，这种滤波方式是不可取的。

本发明所要采取的滤波方式是2N（N为自然数）点的移动平均（Move Average），即对斩波时钟当前相位和前2N-1个相位的ADC数字输出数据取平均，作为当前相位的温度检测系统的最终输出数据，这样可以使得最终数据的输出频率等于ADC的数据输出频率，如图4中filter_out所示的2点移动平均。由于斩波相位通常为2相，因此移动平均长度需为2的整数倍，这样平均之后的值才可以完全消除系统的直流偏差。

需要说明的是，该种处理方式的前提条件是在相邻的2N个斩波时钟相位下,系统所检测的温度并没有变化或者变化非常小；不过，在绝大多数应用情况下，前述条件是可以满足的，因为ADC的数据输出频率很高。

现以N=1为例，斩波时钟在当前相位下,若ADC114输出信号为D_n，前一个相位ADC114输出信号为D_n-1，则滤波单元12计算D_n与D_n-1的平均值，得到最终输出信号D_out,n，即D_out,n=(D_n+D_n-1)/2。若考虑运算放大器115、112、113和比较器116中失调电压对温度传感器的影响，斩波时钟为当前相位时,参考电压 $V_{\mathrm{ref}1}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{os}1}}{R_2}\·R_1+V_{\mathrm{BE}1}=V_{\mathrm{ref}0}+V_{\mathrm{os}1}\·\frac{R_1}{R_2};$

温度感测电压V_PTAT1＝ΔV_BE+V_os1＝V_PTAT0+V_os1；

ADC114输出信号D_n为：

$D_n=\frac{C_2(V_{\mathrm{PTAT}0}+V_{\mathrm{os}1}+V_{\mathrm{os}3})+V_{\mathrm{os}4}}{C_1(V_{\mathrm{ref}0}+V_{\mathrm{os}1}\·\frac{R_1}{R_2}+V_{\mathrm{os}2})}=\frac{C_2{V}_{\mathrm{PTAT}0}+V_{\mathrm{osPTAT}}}{C_1{V}_{\mathrm{ref}0}+V_{\mathrm{osref}}}$

其中ΔV_BE是双极晶体管Q1的BE结电压V_BE1减去双极晶体管Q0的BE结电压V_BE0的电压值， $V_{\mathrm{ref}0}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{R_2}\·R_1+V_{\mathrm{BE}1},$ V_PTAT0＝ΔV_BE，V_osPTAT＝C₂(V_os1+V_os3)+V_os4， $V_{\mathrm{osref}}=C_1(V_{\mathrm{os}1}\·\frac{R_1}{R_2}+V_{\mathrm{os}2}).$ 斩波时钟为前一个相位时，ADC114输出信号D_n-1为：

$D_{n-1}=\frac{C_2{V}_{\mathrm{PTAT}0}-V_{\mathrm{osPTAT}}}{C_1{V}_{\mathrm{ref}0}-V_{\mathrm{osref}}}$

经过2点数字滤波后，滤波单元输出的感测数据D_out,n为：

$D_{\mathrm{out},n}=\frac{D_n+D_{n-1}}{2}=\frac{1}{2}(\frac{C_2{V}_{\mathrm{PTAT}0}+V_{\mathrm{osPTAT}}}{C_1{V}_{\mathrm{ref}0}+V_{\mathrm{osref}}}+\frac{C_2{V}_{\mathrm{PTAT}0}-V_{\mathrm{osPTAT}}}{C_1{V}_{\mathrm{ref}0}-V_{\mathrm{osref}}})=\frac{C_2{V}_{\mathrm{PTAT}0}\·C_1{V}_{\mathrm{ref}0}-V_{\mathrm{osref}}\·V_{\mathrm{osPTAT}}}{{\left(C_1{V}_{\mathrm{ref}0}\right)}^2-{\left(V_{\mathrm{osref}}\right)}^2},$

消去高阶项后，可见高精度温度传感器中所有运算放大器放和比较器的失调电压都被消去了。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，上述所示仅仅只是列示，而非对本发明的限制，事实上，本发明所述的斩波技术不仅可以应用在包含逐次逼近型模数转换器的温度传感器电路中，也可以应用在包含sigma-delta模数转换器等其他类型模数转换器的温度传感器电路中。

由上所述可见，本发明的高精度温度传感器的所有或者部分影响检测精度的运算放大器和比较器均采用斩波技术，整个系统采用相同的斩波时序，且在每一个斩波相位ADC都产生一个数据输出，这样使得系统中的直流失调信息体现在相邻的两个ADC数字输出值中，最后通过2N（N为自然数）点移动平均的方式来消除运算放大器和比较器的直流失调电压，从而可提高温度传感器的精度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种采用斩波技术的高精度温度传感器，其特征在于，所述采用斩波技术的高精度温度传感器至少包括：

温度传感器本体及连接所述温度传感器本体的滤波单元；其中，所述温度传感器本体包含的运算放大器和/或比较器中，至少一者具有斩波功能，所述温度传感器本体在每一个斩波相位都产生一个数据输出，且所述滤波单元在每一个斩波相位都基于所述温度传感器本体当前的输出数据与之前输出的2N-1个输出数据的平均值来输出当前感测结果；N为大于等于1的整数。

2.根据权利要求1所述的采用斩波技术的高精度温度传感器，其特征在于：所述温度传感器本体包括基于三极管BE结电压来感测温度的温度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的采用斩波技术的高精度温度传感器，其特征在于：所述温度传感器本体包含的模数转换器为逐次逼近型模数转换器。

4.根据权利要求1或2所述的采用斩波技术的高精度温度传感器，其特征在于：所述温度传感器本体包含的模数转换器为sigma-delta模数转换器。

5.根据权利要求1所述的采用斩波技术的高精度温度传感器，其特征在于：所述温度传感器本体包含的基准电路中的运算放大器为具有斩波功能的放大器。

6.根据权利要求1所述的采用斩波技术的高精度温度传感器，其特征在于：所述温度传感器本体包含的信号放大器为具有斩波功能的放大器。

7.根据权利要求1所述的采用斩波技术的高精度温度传感器，其特征在于：所述温度传感器本体包含的模数转换器中的比较器和/或运算放大器为具有斩波功能的比较器。

8.根据权利要求1所述的采用斩波技术的高精度温度传感器，其特征在于：所述滤波单元采用数字电路或者软件来实现。