CN104807551A - 一种应用于计量电表中的温度传感器及其温度修调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于计量电表的温度传感器，包括模拟电路部分，数字电路部分和用户ARM部分，模拟电路部分包括与绝对温度成正比电流偏置的正温度系数电流发生器，偏置电流镜阵列，低温漂系数基准电流源，感温晶体管以及模数转换积分器，数字电路部分包括开关控制逻辑，数字码输出，数字计数器以及移位寄存器，模数转换积分器具有电容值相等的采样电容和积分电容，感温晶体管的偏置电流以5∶1的比例被6个单位电流镜轮换偏置；一种对温度传感器进行温度修调方法，偏置电流镜设为6路，其中5路电流作为粗调，另外1路电流作为精调，当计数器输出偏差较大时，使用5路粗调电流，当计数器输出在两路单位电流之间时，使用精调。

Description

一种应用于计量电表中的温度传感器及其温度修调方法

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，特别是涉及一种用于计量电表中的温度传感器以及温度修调(trimming)方法。

背景技术

目前一些需要严格控制温度的重要场所越来越多，例如，娱乐场所，宾馆，大型超市，粮库，锅炉，计算机房等，这些场所一般都需要设置以温度传感器为基础的温度监控系统，从而起到保护特定资产或者确保系统平稳运行的效果，此外在隧道，铁路，地铁，机场，船舱等交通运输领域和油罐，煤仓，货舱，军工厂以及弹药库等危险品区域，温度监控通常是最基本的检测元素，国内外对此的专利技术较多。而应用于计量电表等较小空间范围和精密仪器上的温度传感器的技术发展并不成熟，这种温度传感器主要由感温晶体管，基准电路，模数转换器，控制电路等构成，与传统的温度传感器相比，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。

温度传感器是计量电表中的一个重要模块，它能够实时感应电表内部芯片周围的环境温度并给出温度反馈值，该温度值一方面可以反馈给用户，另一方面可以用于监测计量电表的工作状态。

目前主要有两种方式实现这种温度传感器的温度检测。

其中第一种温度传感器具有连接的双极晶体管，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，实现温度的数字提取。

在这种温度传感器中，ADc的输入分别是V_PTAT和V_REF，其中：

V_PTAT=σ(V_BE2-V_BE1)

V_REF=V_BE1，+V_PTAT

第一种温度传感器的缺点在于，在模拟电路中实现增益系数α的精度十分有限，过大的比例对工艺精度要求极其严格，为提高精度有时会增加动态匹配电路，使电路设计变得更加复杂，同时很可能会引入时序竞争问题，此外，还会增加后续修调(trimming)方案的复杂度。

第二种温度传感器，其参考电压生成原理与第一种温度传感器相同，不同的是该温度传感器通过第三个三极晶体管生成第三个与温度相关的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，需要对其进行温度输出误差的校正，该补偿算法可以通过软件或者数字逻辑实现。

第二种温度传感器的缺点在于，V_BE的曲率变化影响最终温度传感器的精度，需要在设计中进行曲率补偿，增加电路设计的复杂度。

美国专利US pat No.6183131针对第二种温度传感器进行了基于第一种温度传感器的改进型温度传感器，其中温度传感器包括一个带隙基准电压源电路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V_O，V_O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／V_O的数字信号，在经过相加电路114和116产生最终输出的温度值T_out。

由于实际的温度传感器芯片会与仿真存在差别，因此温度传感器芯片制造完成后需要对其进行温度修调(trimming)。修调(trimming）的方案有很多，比如电压域，电流域等等，但这些方法如果要达到一定的精度，都会在模拟电路中消耗很大的芯片面积。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种应用于计量电表中的高精度温度传感器，将模拟电路中的增益系数通过用户在ARM中运算实现，避免模拟电路中电容比例过大，增益变化不准确的问题，同时使得模拟电路版图更易于匹配，并大大减小模拟电路芯片面积，降低成本，同时使用移位寄存器对模拟电流镜阵列进行轮替，通过平均的动态匹配思想来降低失配所带来的误差。

本发明的目的还在于通过对计数器输出码流的分组进行更高精度的细调，粗调和细调的结合实现更接近于设计目标的修调(trimming)方案，在不增加额外时钟的前提下，利用已有时钟实现修调(trimming)，节省硬件开销，却达到同样精度。

本发明用于计量电表中的温度传感器所采取的技术方案如下：该温度传感器包括模拟电路部分，数字电路部分和用户ARM部分，模拟电路部分包括与绝对温度成正比电流偏置的正温度系数电流发生器，偏置电流镜阵列，低温漂系数基准电流源，从而对模数转换积分器进行精确电流偏置，感温晶体管以及模数转换积分器，数字电路部分包括开关控制逻辑，数字码输出，数字计数器以及移位寄存器，其中模拟电路中的增益系数通过用户在所述用户ARM部分实现，所述开关控制逻辑对所述偏置电流镜阵列进行控制，所述正温度系数电流发生器为所述偏置电流镜阵列提供偏置，所述移位寄存器对电流镜阵列进行控制轮换，所述模数转换积分器的结果输出给数字计数器，所述数字计数器的结果控制数字码的输出并将所述数字码输出给用户ARM，所述模数转换积分器具有电容值相等的采样电容和积分电容，所述感温晶体管的偏置电流以5_∶1的比例被6个单位电流镜轮换偏置，为了保证匹配的高精度，这里使用数字电路中简单的移位寄存器来控制6个单位电流镜的轮换，每一次△V_BE的产生都有一路与之前不同的单位电流对一个pnp管进行偏置，6个单位电流进行轮换，从而达到动态匹配的目的。

基于附图2所示的温度传感器原理，通过△V_BE与V_BE的结合产生参考电压V_REF，利用与温度成正比的电压V_pTAT和与温度无关的参考电压V_REF的比值来确定温度值。

本发明还采用了如下技术方案实现优化的温度修调(trimming)方法：采用数字电流调制的方法，使产生V_BE电压的电流在最大与最小小数倍单位电流之间按照一定的比例进行，这样，模拟电路部分基本不需要做大的变动，数字电路部分只需要位数可控的数字计数器即可。同时，本修调(trimming)方案也只是基于已有的时钟频率实现，不必增加额外更高频率的时钟去实现整数倍电流进行调制。

对于本发明中所使用的方法，能够简化模拟电路中增益系数的实现，电路元件易于匹配，提高电路精度，数字电路实现修调(trimming）降低模拟电路设计成本和复杂度，同时，特有的小数修调（trimming）方案能够避免引入额外更高时钟所带来的不必要的竞争与冒险现象。

附图说明

附图1为现有技术中的一种温度感测方式的电路示意图；

附图2为本发明所用温度传感器的原理图；

附图3为美国专利US patNo.6183131公开的线性温度传感器的电路示意图；

附图4为本发明温度传感器原理框图；

附图5为本发明模拟前端原理图；

附图6为本发明修调(trimming)方法的4位精调示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

参见附图1和3分别为现有技术中常用温度感测方式的电路示意图。附图2中所示为本发明所用的温度传感器的基本原理，通过△V_BE与V_BE的结合产生参考电压V_REF，利用与温度成正比的电压V_PTAT和与温度无关的参考电压V_REF的比值来确定温度值，然后通过公式：

T=Ａμ＋B   (1)

得到摄氏温度。该公式用于计算摄氏温度，其中：T表示计算结果，单位为摄氏度；μ表示正温度系数量(即α△V_BE)在零温度系数量(即V_BE+α△V_BE)中的比例；A、B为常量，标准值分别为600和-273，但实际应用中会针对温度的曲率补偿进行适当提高。

附图4为本发明温度传感器原理框图。该温度传感器包括模拟电路部分，数字电路部分和用户ARM部分，模拟电路部分包括与绝对温度成正比电流偏置的正温度系数电流发生器，偏置电流镜阵列，低温漂系数基准电流源，从而对模数转换积分器进行精确电流偏置，感温晶体管以及模数转换积分器，数字电路部分包括开关控制逻辑，数字码输出，数字计数器以及移位寄存器，其中模拟电路中的增益系数通过用户在所述用户ARM部分实现，所述开关控制逻辑对所述偏置电流镜阵列进行控制，所述正温度系数电流发生器为所述偏置电流镜阵列提供电流偏置，所述移位寄存器对电流镜阵列进行控制轮换，所述模数转换积分器的结果输出给数字计数器，所述数字计数器的结果控制数字码的输出并将所述数字码输出给用户ARM。

感温元件感应电表芯片环境温度并输出电压差，模数转换积分器通过对输入电压积分，从而产生数字码流输出并对感温元件的行为进行控制，数字码流输出通过数字计数器进行计数，当计数达到设定的时间后，计数器输出给用户，用户再通过ARM对计数值进行运算得到对应温度值。

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\α}\·{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{BE}}+\mathrm{\α}\·{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}=\frac{\mathrm{\α}\·\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{BE}}}}{1+\mathrm{\α}\·\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{BE}}}}=\frac{\mathrm{\α}\·\mathrm{\θ}}{1+\mathrm{\α}\·\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{V_{\mathrm{BE}}}=\frac{N-D_{\mathrm{out}}}{D_{\mathrm{out}}}---\left(3\right)$

Dout为数字计数器输出值，N为计数器计数时钟周期。α是针对△V_BE进行一个整数倍的增益，该增益以用户ARM实现;△V_BE和V_BE分别为模拟电路中通过pnp(双极型晶体管)管的温度电压特性所得到的用于衡量芯片当前温度的参量，具体实现是通过模拟电路实现的。△V_BE的增益α在用户ARM中实现，这样可以避免模拟电路中电阻或者电容因为过高的比例而导致的误差，大大节约了芯片面积。

附图5表示模拟前端的原理图，其中采用上述方法可以使得模拟积分器的设计变得简洁，所述模数转换积分器具有电容值相等的采样电容和积分电容，在版图中可以很容易的实现匹配，而且这种方法也不必为采样电容的增益误差而设计动态匹配电路，从而降低设计工作量。计量电表只需要通过输出计数器的计数结果，用户在ARM中便可以直接通过公式(1)-(3)对温度值进行计算。

所述感温晶体管的两个温度感应元件pnp管的偏置电流以5∶1的比例被6个单位电流镜轮换偏置，为了保证匹配的高精度，这里使用数字电路中简单的移位寄存器来控制6个单位电流镜的轮换，每一次△V_BE的产生都有一路与之不同的单位电流对一个pnp管进行偏置，6个单位电流进行轮换，从而达到动态匹配的目的。

该温度传感器应用于计量电表中，根据模拟电路时钟频率和数字计数器计数时间的不同可以达到很高的精度，本发明设计精度在±0.1℃。

由于实际芯片会与仿真有所差别，因此，芯片制造完成后需要对其进行温度修调(trimming)。本发明使用的修调(trimming)方法也是数字电路实现的，利用模拟电路中已有的电流镜阵列对V_BE进行粗调和精调，修调(trimming）的思路如图6所示。电流镜一共6路，用其中的5路电流作为粗调，1路电流作为精调。当计数器输出偏差较大时，使用5路粗调电流。当计数器输出在两路单位电流之间时，使用精调。精调是将输出码流进行分组，如图4所示，每16个输出高电平为一组，细调电流控制位CO在每组bs=1计数到一定值时再置高电平。这样，4位精调就相当于把一路单位电流16等分，细调精度就达到1／16倍单位电流，图6所示是bs=1数到10之后，在第11个bs=1的中点处CO变为高电平，由于时钟是高电平对bs=1进行采样，因此CO转换位高电平的触发是在下一个bs=1的中点处，这就相当于bs=1数到10.5时CO跳变，该方法使模拟与数字共用一套时钟，不需要为了数到整数CO才进行跳变而引入主时钟，却达到同样的调整精度，进一步简化了数字电路的设计。

如果想得到更高的精度，可以使用高位精调，本发明另一实施例中采用了5位，即1／32倍单位电流为最小精度。本专利一共6路单位电流，产生AV_BE的电流比为5∶1，6路电流中取5路作为粗调，另一路作为精调，本发明所使用的工艺条件下，注入2倍单位电流与3倍单位电流时计数器的输出相差约32个1，因此，这里使用了5位数字细调位来控制细调电流开关的开与关，将计数器输出码流每32个分为一组，5位数字细调位来确定码流中的多少个1时细调电流开关CO打开，以小数倍单位电流进行晶体管的偏置。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种应用于计量电表中的温度传感器，包括模拟电路部分，数字电路部分和用户ARM部分，其特征在于：模拟电路部分包括正温度系数电流发生器，偏置电流镜阵列，低温漂系数基准电流源，感温晶体管以及模数转换积分器，数字电路部分包括开关控制逻辑，数字码输出，数字计数器以及移位寄存器，其中模拟电路中的增益系数通过用户在所述用户ARM部分实现，所述开关控制逻辑对所述偏置电流镜阵列进行控制，所述正温度系数电流发生器为所述偏置电流镜阵列提供电流偏置，所述移位寄存器对所述偏置电流镜阵列进行控制轮换，所述模数转换积分器的结果输出给数字计数器，所述数字计数器的结果控制数字码的输出并将所述数字码输出给用户ARM，所述模数转换积分器具有电容值相等的采样电容和积分电容，所述感温晶体管的偏置电流以5_∶1的比例被6个单位电流镜轮换偏置。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述正温度电流发生器为与绝对温度成正比电流偏置。

3.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述低温漂系数基准电流源对模数转换积分器进行精确电流偏置。

4.一种对权利要求1-3所述的温度传感器进行温度修调方法，其特征在于：所述偏置电流镜为6路，其中的5路电流作为粗调使用，另外1路电流作为精调，当计数器输出偏差较大时，使用5路粗调电流，当计数器输出在两路单位电流之间时，使用精调。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，每16个输出高电平为一组，细调电流控制位CO在每组bs=1计数到一定值时再置高电平。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，每32个输出高电平为一组，细调电流控制位CO在每组bs=1计数到一定值时再置高电平。