CN104903689A - 温度传感器外围设备 - Google Patents

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CN104903689A CN201380069798.9A CN201380069798A CN104903689A CN 104903689 A CN104903689 A CN 104903689A CN 201380069798 A CN201380069798 A CN 201380069798A CN 104903689 A CN104903689 A CN 104903689A
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temperature
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operational amplifier
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戴维·迈克尔·苏萨克
拉古维尔·穆鲁库姆彼特
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Abstract

本发明涉及一种温度传感器外围设备，其产生与温度成比例的输出电压，所述输出电压的温度系数可经调整到任何所要值，所述输出电压的温度系数可为正或负，所述输出电压的室温电压可经调整到任何所要值，且所述输出电压的温度系数调整与室温电压调整彼此独立。

Description

温度传感器外围设备
相关专利申请案
本申请案主张2012年12月10日申请的序列号为61/735,243的共同拥有的美国临时专利申请案的优先权；所述临时专利申请案为了所有目的而特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及温度传感设备，且特定来说，涉及一种具有独立温度系数及偏移调整可编程性的温度传感器外围设备。
背景技术
现有技术的温度传感器设备在第7,439,601号美国专利中有所描述。其中揭示的装置对两种电流求和且随后驱动另一电阻器。根据定义，代表温度的电压(Vtemp)与代表温度的电压(Vtemp)的温度系数(TCVtemp)相互有关。因此，Vtemp与d(Vtemp)/dTemp彼此不独立。
发明内容
需要一种用于集成电路(IC)微控制器中的温度传感器外围设备，所述温度传感器外围设备可产生电压，所述电压可用于IC外部的目的且所述电压：a)与温度成比例，b)其温度系数可在温度探针处经调整到任何所要值，c)其温度系数可为正或负，d)其室温电压可在温度探针处经调整到任何所要值，及e)其温度系数与室温电压彼此完全地独立。
根据一实施例，一种用于测量温度且产生代表所述温度的电压的电路布置可包括：第一及第二电压/电流转换器，其各自具有电压输入、电流调整输入及电流输出；第一运算放大器，其具有第一及第二输入以及输出；第一电阻器，其耦合到所述第一电压/电流转换器的所述电流调整输入，其中所述第一电阻器可调整来自所述第一电压/电流转换器的所述电流输出的第一电流的值；第二电阻器，其耦合到所述第二电压/电流转换器的所述电流调整输入，其中所述第二电阻器可调整来自所述第二电压/电流转换器的所述电流输出的第二电流的值；第三电阻器，其耦合在所述第一运算放大器的所述输出与所述第二输入之间；所述第一及第二电压/电流转换器的所述输出与所述第一运算放大器的所述第二输入可耦合在一起；第一参考电压可耦合到所述第一电压/电流转换器的所述电压输入；第二参考电压可耦合到所述第二电压/电流转换器的所述电压输入；且第三参考电压可耦合到所述运算放大器的所述第一输入；其中通过所述第三电阻器的第三电流等于所述第二电流减所述第一电流。
根据另一实施例，所述第一运算放大器的所述第一输入可为正输入，且所述第一运算放大器的所述第二输入可为负输入。根据另一实施例，所述第三参考电压可来自数/模转换器(DAC)。根据另一实施例，来自所述第一运算放大器的输出电压可等于所述第二参考电压值乘所述第三电阻器值除以所述第二电阻器值减所述第一参考电压值乘所述第三电阻器值除以所述第一电阻器值加所述第三参考电压值。根据另一实施例，所述第一参考电压可来自具有与其温度成比例的电压输出的温度传感器，且所述第二及第三参考电压可来自具有实质上零温度系数的固定电压参考。根据另一实施例，所述第一及第二电压/电流转换器可由以下各者提供：第二运算放大器；及第一及第二晶体管，其具有耦合在一起的源极、耦合到所述第二运算放大器的输出的栅极，及耦合到所述第一及第二电阻器的漏极。
根据另一实施例，所述第二及第三参考电压可来自同一电压参考。根据另一实施例，所述第一参考电压可来自温度传感器，所述第三参考电压及所述第二电阻器值可确定代表第一校准温度的第一输出电压，且所述第三电阻器值可确定代表第二校准温度的第二输出电压。根据另一实施例，所述第一校准温度可为室温。根据另一实施例，所述温度传感器可为提供随温度而变的二极管结电压的半导体二极管。根据另一实施例，所述温度传感器可为电阻温度检测器。根据另一实施例，所述温度传感器可为热敏电阻。根据另一实施例，所述第二电阻器可经调整使得来自所述第一运算放大器的所述输出的电压可等于所述第三参考电压，且所述第二电流可等于所述第一电流。
根据另一实施例，一种适应于耦合到温度传感器且提供与由所述温度传感器测量的温度成比例的电压的混合信号集成电路可包括：数字处理器及存储器；温度传感器外围设备，其可包括：第一运算放大器，其具有第一及第二输入以及输出；第三电阻器，其耦合在所述第一运算放大器的所述输出与所述第二输入之间；第二运算放大器，其具有第一及第二输入以及输出；第一及第二晶体管，其具有耦合在一起的源极、耦合到所述第二运算放大器的输出的栅极，及耦合到第一及第二电阻器的漏极；其中温度传感器可耦合到所述第二运算放大器的所述第一输入，且参考电压可耦合到所述第一运算放大器的所述第一输入；其中所述第一运算放大器的所述输出可提供与由所述温度传感器测量的温度成比例的输出电压。
根据另一实施例，所述第一、第二及第三电阻器可为可编程的且由所述数字处理器控制。根据另一实施例，数/模转换器可耦合到所述数字处理器且提供可编程参考电压。根据另一实施例，模/数转换器可具有耦合到所述第一运算放大器的所述输出的输入及耦合到所述数字处理器的输出。根据另一实施例，所述混合信号集成电路可包括微控制器。
根据另一实施例，一种用于测量温度的电路布置可包括：两个电流产生电路，其可在两个不同路径中提供第一及第二电流，其中所述第一或第二电流中的一者可取决于温度；所述第一及第二电流可经组合且转换成电压Vtemp，其中所述电压Vtemp可取决于所述温度。
根据另一实施例，当所述第一及第二电流相等时，所述电压Vtemp可等于参考电压。根据另一实施例，所述经组合的第一及第二电流可由具有反馈电阻器的放大器转换成所述电压Vtemp。根据另一实施例，所述反馈电阻器可在所述温度的变化期间确定所述电压Vtemp的变化。根据另一实施例，所述两个电流产生电流可为电压/电流转换器，且所述温度可由具有耦合到所述两个电压/电流转换器中的一者的电压输出的温度传感器测量。
根据另一实施例，一种用于测量温度且产生代表所述温度的电压的方法可包括以下步骤：确定代表第一校准温度的第一电压；当温度传感器可处于所述第一校准温度时调整来自温度传感器外围设备的第一输出电压以等于所述第一电压；确定电压范围以代表温度范围，其中所述第一电压可在所述电压范围内且所述第一校准温度可在所述温度范围内；确定代表在所述温度范围内的第二校准温度的第二电压；及当所述温度传感器可处于所述第二校准温度时调整来自所述温度传感器外围设备的第二输出电压以等于所述第二电压。
根据所述方法的另一实施例，所述第一电压可等于耦合到所述温度传感器外围设备的运算放大器的输入的参考电压。根据所述方法的另一实施例，所述第一校准温度可为室温。
附图说明
通过参考结合附图的以下描述可更全面地理解本发明，在附图中：
图1说明根据本发明的特定实例实施例的温度传感器外围设备及其电路电压关系的示意图；
图2说明图1所展示的温度传感器外围设备及其电路电压关系的示意图；
图3说明根据本发明的另一特定实例实施例的温度传感器外围设备、连接到温度传感器外围设备的温度传感器探针及其电路电压关系的示意图；
图4说明图3所展示的温度传感器外围设备及其电路电压关系的示意图；
图5说明根据本发明的教示的图3及4所展示的温度传感器外围设备与其示范性组件值及电路电压关系的示意图；
图6说明根据本发明的特定实例实施例的用于温度传感器外围设备的校准的示意过程流程图；
图7说明根据本发明的特定实例实施例的用于如图6的描述中更全面地揭示的温度传感器外围设备校准的示意温度-电压图；及
图8说明根据本发明的教示的具有温度传感器外围设备的混合信号集成电路的示意框图。
尽管本发明容许各种修改及替代形式，但本发明的特定实例实施例已在附图中予以展示且在本文中予以详细地描述。然而，应理解，在本文中对特定实例实施例的描述不希望将本发明限于本文中揭示的特定形式，而是相反地，本发明将覆盖如由所附权利要求书定义的所有修改及等效物。
具体实施方式
根据各种实施例，可提供产生与温度成比例且其温度系数、温度系数极性及室温电压为独立地用户可选择的电压的电路。
现参考附图，示意地说明特定实例实施例的细节。附图中的相似元件将由相似编号表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相似编号表示。
参考图1，描绘根据本发明的特定实例实施例的温度传感器外围设备及其电路电压关系的示意图。第一电压/电流转换器102具有耦合到第一参考电压Vref1的电压输入，第一参考电压Vref1经转换成第一电流I1且可用于第一电压/电流转换器102的输出处。第二电压/电流转换器102具有耦合到第二参考电压Vref2的电压输入，第二参考电压Vref2经转换成第二电流I2且可用于第二电压/电流转换器104的输出处。运算放大器106具有耦合到第一及第二电压/电流转换器102及104的输出的负输入、耦合到第三参考电压Vref3的正输入，及耦合在运算放大器106的输出与负输入之间的电阻器R3。第一及第二参考电压可或可不具有相同温度系数(TC)。所述参考电压中的一者可由实质上不具有温度系数(TC)的电压参考(例如，在所有操作温度中实质上相同输出电压，例如，带隙电压参考等等)提供。另一参考电压可由具有正或负温度系数(TC)的温度测量传感器(例如，二极管结、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻等等)提供。所述参考电压中的任何一或多者(例如，Vref3、Vref2；或Vref3、Vref1；)可由数/模转换器(DAC)108提供。
来自第一电压/电流转换器102的第一电流I1可借助于耦合到第一电压/电流转换器102的电流调整输入的第一电阻器R1予以调整。来自第二电压/电流转换器104的第二输出电流I2可借助于耦合到第二电压/电流转换器104的电流调整输入的第二电阻器R2予以调整。运算放大器106迫使第三电流I3等于第一及第二电流之间的差(I3＝I2-I1)。
图1中展示以下各者之间的数学关系：来自运算放大器106的输出电压Vout；第一、第二及第三电压参考Vref1、Vref2及Vref3；及第一、第二及第三电阻器R1、R2及R3。还展示输出电压变化dVout相对于温度变化dT的数学关系。当dVref项为实质上零时，则在已调整Vout以实质上等于Vref3之后，仅非零dVref项确定dVout/dT，如下文更全面地所描述。
根据本发明的教示，可产生具有不同温度系数的两个电流I1及I2，一者为负且另一者为正，其随后经加总在一起且所得电流I3经转换回为电压Vout。运算放大器106调节求和节点(I3＝I2-I1)以等于Vref3。运算放大器106反馈随后迫使输出电压Vout以等于I3乘R3加Vref3。因此，当I3为实质上零时，即，I2＝I1，I2-I1＝0，则Vout＝Vref3。因此，通过选择不同参考电压Vref1、Vref2及Vref3，可产生具有所要电压偏移及斜率的复合输出电压Vout。真实世界设计将最有可能不改变所有这些参数。通过仅改变所述参考电压中的一者且使其它参考电压保持恒定，可提供具有明确定义的温度系数的可靠输出电压。第一参考电压Vref1或第二参考电压Vref2可由温度传感器(例如，二极管结、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻等等)控制。适当的温度/电压转换可通过借助于具有正温度系数的温度传感器来控制第二参考电压Vref2予以提供，或通过借助于具有负温度系数的温度传感器来控制第一参考电压Vref1予以提供。
除温度测量应用之外，还预期到且在本发明的范围内的是，第一及第二参考电压Vref1及/或Vref2可随温度而变化，且上文中描述的电路经调整成使得其输出电压Vout可用于可需要正或负温度补偿的另一电路(例如，电压控制振荡器，其使频率确定组件在耦合在一起时具有必须在操作温度范围内被补偿的正或负温度系数)的电压控制温度补偿。
本发明的另一特征为当输出电压Vout经调整以实质上等于在第一校准温度下的第三参考电压Vref时的完全独立输出电压调整(输出电压偏移)及电压/温度系数调整(dVout/dT范围)。举例来说，首先确定在关注温度范围内需要何种输出电压范围。随后确定那种电压范围的输出电压Vout在室温(例如，27摄氏度(℃))下将为何种电压。随后将第三参考电压Vref3设置为那种电压，或使用既有的第三参考电压Vref3来定义第一校准电压，例如，在第一校准温度(例如，室温)下的Vout。接着通过在室温下调整第二电阻R2而将输出电压Vout设置为与第三参考电压Vref3实质上相同的值，借此第三电流I3将为实质上零(0)。所实现的是将第一电流I1(I1＝Vref1/R1)实质上匹配于第二电流I2(I2＝Vref2/R2)，第二电流I2由在室温(或任何其它第一校准温度)下的温度传感器电压Vref2及第二电阻器R2控制。
接着可确定输出电压变化dVout对温度变化dT(温度系数)。选择与第一校准温度(例如，室温)不同的第二温度(第二校准温度)，例如，更高或更低。基于所要温度系数(dVout/dT)来计算输出电压Vout在第二温度下将为何种电压。在第二温度下调整第三电阻器R3，使得输出电压Vout实质上处于第二校准温度的经计算输出电压。因此针对任何所要输出电压偏移及温度系数(两者之间实质上无相互作用)容易地实现输出电压及温度系数(输出电压对温度的变化)的准确且独立的调整。
参考图2，描绘图1所展示的温度传感器外围设备及其电路电压关系的示意图。下文为展示如何设置独立于温度系数的室温电压的实例。对于这个实例，存在两个假设：I1＝I2，Vref2及Vref3不随温度而变化。如果情况如此，那么可通过调整第二电阻器R2使得第一电流I1等于第二电流I2来设置室温电压，且可通过调整第三电阻器R3来改变温度系数。在这个实例中，第一电阻器R1保持恒定，这是由于其出现在Vout及dVout/dT方程式两者中。
参考图3及4，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的温度传感器外围设备、连接到温度传感器外围设备的温度传感器探针及其电路电压关系的示意图。第二运算放大器308以及晶体管316及318可用作图1及2所展示的第一及第二电压/电流转换器102及104。由于运算放大器106与反馈电阻器R3一起操作，故第二参考电压Vref2将自动地为与第三参考电压Vref3实质上相同的电压。图3及4的电路功能、调整及操作可与上文中针对图1及2所描述的实质上相同。
二极管温度传感器314可耦合到电流源312，且取决于温度的所得二极管结电压Vbe可耦合到运算放大器308的正输入。由于第三参考电压Vref3保持恒定(例如，来自带隙电压参考(未展示)或DAC 108等等，故输出电压变化dVout仅取决于二极管结电压变化dVbe。电压输出Vout、偏移及范围可如上文中针对所要室温输出电压(在第一校准温度下的第一校准输出电压)及所要dVout/dT(基于在第二校准温度下的第二校准电压)所描述而予以调整。
预期到且在本发明的范围内的是，可利用提供对应于温度的电压输出的任何温度传感器，且熟悉电子电路设计领域并受益于本发明的技术人员将结合本发明的教示而易于理解如何实施此类温度传感器。
参考图5，描绘根据本发明的教示的图3及4所展示的温度传感器外围设备与其示范性组件值及电路电压关系的示意图。所展示的经计算电压及组件值是在室温下导出。
参考图6，描绘根据本发明的特定实例实施例的用于温度传感器外围设备的校准的示意过程流程图。在步骤620中，选择代表第一校准温度的第一电压。在步骤622中，在温度传感器处于第一校准温度时将第一输出电压调整为第一电压。通过将Vref3选取为第一(修整)电压或反之亦然以代表第一校准温度(例如，在温度传感器314(探针)处的“室温”)，将输出电压Vout调整为Vref3，借此I3＝0，且I2＝I1。在步骤624中，确定代表温度范围的电压范围，例如，斜率dVout/dT(参见图7)，其中第一电压在电压范围内。在步骤626中，确定代表在温度范围内的第二校准温度的第二电压。在步骤628中，在温度传感器314处于第二校准温度时调整温度传感器外围设备，使得来自温度传感器外围设备的第二输出电压与第二电压实质上相同。两个校准调整的这种序列为：在温度传感器314处于第一校准温度(例如，室温)时首先将输出电压Vout设置为参考电压Vref3，从而确定输出电压偏移；且在温度传感器314处于第二校准温度(例如，不同于第一校准温度的第二校准温度)时接着将输出电压Vout设置为第二电压，从而确定输出电压变化dVout对温度变化dT的斜率，在这两个校准调整之间实质上无相互作用。
参考图7，描绘根据本发明的特定实例实施例的用于如图6的描述中更全面地揭示的温度传感器外围设备校准的示意温度-电压图。第一校准调整确定在第一校准温度下的输出电压偏移，且第二校准调整确定输出电压变化对温度变化的斜率dVout/dT。通过调整第三参考电压Vref3，可选择任何输出电压偏移，例如，通过使用数/模转换器(DAC)108以产生Vref3。
参考图8，描绘根据本发明的教示的具有温度传感器外围设备的混合信号集成电路的示意框图。混合信号集成电路802(例如，微控制器)可包括温度传感器外围设备808、模/数转换器(ADC)806、数字处理器及存储器804、数/模转换器(DAC)816，及可编程电阻器810、812及814。温度传感器314可耦合到温度传感器外围设备808的输入，且可从温度传感器外围设备808提供输出电压Vout。输出电压Vout可用于耦合到外部装置及/或供应到ADC 806以供数字处理器804进一步处理。DAC 816可向温度传感器外围设备808提供参考电压Vref3，且可编程电阻器810、812及/或814可用于提供输出电压偏移及dVout/dT斜率校准，如上文中更全面地所描述。
尽管已通过参考本发明的实例实施例而描绘、描述及定义本发明的实施例，但此类参考并不暗示限制本发明，且将不会推断出此类限制。熟悉相关领域并受益于本发明的技术人员将想到，所揭示的主题能够在形式及功能上容许显著修改、变动及等效物。本发明所描绘及描述的实施例仅为实例，而非穷举本发明的范围。

Claims (26)

1.一种用于测量温度且产生代表所述温度的电压的电路布置，其包括：
第一及第二电压/电流转换器，其各自具有电压输入、电流调整输入及电流输出；
第一运算放大器，其具有第一及第二输入以及输出；
第一电阻器，其耦合到所述第一电压/电流转换器的所述电流调整输入，其中所述第一电阻器调整来自所述第一电压/电流转换器的所述电流输出的第一电流的值；
第二电阻器，其耦合到所述第二电压/电流转换器的所述电流调整输入，其中所述第二电阻器调整来自所述第二电压/电流转换器的所述电流输出的第二电流的值；
第三电阻器，其耦合在所述第一运算放大器的所述输出与所述第二输入之间；
所述第一及第二电压/电流转换器的所述输出与所述第一运算放大器的所述第二输入耦合在一起；
第一参考电压耦合到所述第一电压/电流转换器的所述电压输入；
第二参考电压耦合到所述第二电压/电流转换器的所述电压输入；且
第三参考电压耦合到所述运算放大器的所述第一输入；
其中通过所述第三电阻器的第三电流等于所述第二电流减所述第一电流。
2.根据权利要求1所述的电路布置，其中所述第一运算放大器的所述第一输入为正输入，且所述第一运算放大器的所述第二输入为负输入。
3.根据权利要求1所述的电路布置，其中所述第三参考电压是来自数/模转换器DAC。
4.根据权利要求1所述的电路布置，其中来自所述第一运算放大器的输出电压等于所述第二参考电压值乘所述第三电阻器值除以所述第二电阻器值减所述第一参考电压值乘所述第三电阻器值除以所述第一电阻器值加所述第三参考电压值。
5.根据权利要求1所述的电路布置，其中所述第一参考电压是来自具有与其温度成比例的电压输出的温度传感器，且所述第二及第三参考电压是来自具有实质上零温度系数的固定电压参考。
6.根据权利要求1所述的电路布置，其中所述第一及第二电压/电流转换器是由以下各者提供
第二运算放大器，及
第一及第二晶体管，其具有耦合在一起的源极、耦合到所述第二运算放大器的输出的栅极，及耦合到所述第一及第二电阻器的漏极。
7.根据权利要求6所述的电路布置，其中所述第二及第三参考电压是来自同一电压参考。
8.根据权利要求1所述的电路布置，其中：
所述第一参考电压是来自温度传感器，
所述第三参考电压及所述第二电阻器值确定代表第一校准温度的第一输出电压，且
所述第三电阻器值确定代表第二校准温度的第二输出电压。
9.根据权利要求8所述的电路布置，其中所述第一校准温度为室温。
10.根据权利要求8所述的电路布置，其中所述温度传感器为提供随温度而变的二极管结电压的半导体二极管。
11.根据权利要求8所述的电路布置，其中所述温度传感器为电阻温度检测器。
12.根据权利要求8所述的电路布置，其中所述温度传感器为热敏电阻。
13.根据权利要求1所述的电路布置，其中所述第二电阻器经调整使得来自所述第一运算放大器的所述输出的电压等于所述第三参考电压，且所述第二电流等于所述第一电流。
14.一种适应于耦合到温度传感器且提供与由所述温度传感器测量的温度成比例的电压的混合信号集成电路，其包括：
数字处理器及存储器；
温度传感器外围设备，其包括
第一运算放大器，其具有第一及第二输入以及输出，
第三电阻器，其耦合在所述第一运算放大器的所述输出与所述第二输入之间，
第二运算放大器，其具有第一及第二输入以及输出，
第一及第二晶体管，其具有耦合在一起的源极、耦合到所述第二运算放大器的输出的栅极，及耦合到第一及第二电阻器的漏极；
其中温度传感器耦合到所述第二运算放大器的所述第一输入，且参考电压耦合到所述第一运算放大器的所述第一输入；
其中所述第一运算放大器的所述输出提供与由所述温度传感器测量的温度成比例的输出电压。
15.根据权利要求14所述的混合信号集成电路，其中所述第一、第二及第三电阻器为可编程的且由所述数字处理器控制。
16.根据权利要求14所述的混合信号集成电路，其进一步包括耦合到所述数字处理器且提供可编程参考电压的数/模转换器。
17.根据权利要求14所述的混合信号集成电路，其进一步包括具有耦合到所述第一运算放大器的所述输出的输入及耦合到所述数字处理器的输出的模/数转换器。
18.根据权利要求14所述的混合信号集成电路，其中所述混合信号集成电路包括微控制器。
19.一种用于测量温度的电路布置，其包括：
两个电流产生电路，其在两个不同路径中提供第一及第二电流，其中所述第一或第二电流中的一者取决于温度；
所述第一及第二电流经组合且转换成电压Vtemp，其中所述电压Vtemp取决于所述温度。
20.根据权利要求19所述的电路布置，其中当所述第一及第二电流相等时，所述电压Vtemp等于参考电压。
21.根据权利要求19所述的电路布置，其中所述经组合的第一及第二电流由具有反馈电阻器的放大器转换成所述电压Vtemp。
22.根据权利要求21所述的电路布置，其中所述反馈电阻器在所述温度的变化期间确定所述电压Vtemp的变化。
23.根据权利要求19所述的电路布置，其中所述两个电流产生电流为电压/电流转换器，且所述温度由具有耦合到所述两个电压/电流转换器中的一者的电压输出的温度传感器测量。
24.一种用于测量温度且产生代表所述温度的电压的方法，所述方法包括以下步骤：
确定代表第一校准温度的第一电压；
当温度传感器处于所述第一校准温度时调整来自温度传感器外围设备的第一输出电压以等于所述第一电压；
确定电压范围以代表温度范围，其中所述第一电压在所述电压范围内且所述第一校准温度在所述温度范围内；
确定代表在所述温度范围内的第二校准温度的第二电压；及
当所述温度传感器处于所述第二校准温度时调整来自所述温度传感器外围设备的第二输出电压以等于所述第二电压。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一电压等于耦合到所述温度传感器外围设备的运算放大器的输入的参考电压。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一校准温度为室温。
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