CN105784156A - 一种集成温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路和传感器领域，具体涉及一种集成温度传感器。包括TCO，片上参考时钟电路以及FDC。本发明利用片上振荡器电路来为集成温度传感器提供时钟信号，以解决现有的集成温度传感器均需求片外时钟源而导致的无法全片上集成的问题，从而降低了集成温度传感器的使用成本。针对电源电压和集成电路制作工艺对片上振荡器的影响，本发明提出采用相同结构的振荡器来实现集成温度传感器中的片上时钟源电路以及AFC，从而利用频率相比的方法来改善集成温度传感器对抗电源电压以及工艺变化的能力。本发明不仅拓展了集成温度传感器的应用范围，还提高了集成温度传感器芯片制作的成品率，为进一步降低其使用成本奠定基础。

Description

一种集成温度传感器

技术领域

本发明涉及集成电路和传感器领域，具体涉及一种集成温度传感器，可实现温度传感器全片上集成且增强其抵抗电源电压和工艺变化的能力。

背景技术

随着人类探索领域的拓展，探测仪器经常会工作于较为严苛的温度环境中。如何保证探测仪器可靠的工作是人们重点关心的问题之一。另外，随着人们生活水平的提高，健康成为了人们日益关注的话题。作为检测身体状况是否正常的一项基本指标，体温的实时监测倍受人们重视。这些问题的解决都需依赖温度传感器这一重要部件。然而，随着器件小型化，便携化以及低成本需求的不断增长，使得由基于特殊材料或者薄膜制备而成的分立式温度传感器的应用受到了较大限制。为了应对上述问题，集成温度传感器孕育而生，并且因其良好的可植入性而迅速受到了人们的青睐。

在2005年以前，集成温度传感器均以电压域的工作原理研发制作而成，其具有较高的精度和较小的测量误差。由于模拟-数字信号转换器(Analog-to-digitalconverter，ADC)是该温度传感器系统的核心部件之一，如图1所示，从而该类集成温度传感器的设计难度较大，使用成本较高。在2005年，一种新工作模式的集成温度传感器被开发出来，其主要依靠量化与温度相关的延迟时间来获得温度信息，称之为时域集成温度传感器，如图2所示。该类集成温度传感器采用时间-数字信号转换器(Time-to-digitalconverter，TDC)来作为数字输出码的转换器，使温度传感器得以全数字集成成为了可能，有效地降低了集成温度传感器的难度和成本。然而，作为温度感应电路的延迟单元不仅对电源电压以及工艺变化敏感，其延迟时间对温度变化的非线性还会引起较大的温度测量误差，从而该类集成温度传感器的应用在需求较高精度和较低测量误差的场合受到了制约。此外，目前上述任一类型的集成温度传感器都需要使用片外时钟源来为其提供所需的时钟信号，因此，不仅降低了集成温度传感器的便携性，还增加了其使用成本。

发明内容

针对上述已有集成温度传感器存在的问题或不足，本发明提供了一种集成温度传感器，用于实现对温度传感器进行全片上集成，且提高其抵抗电源电压以及工艺变化的能力。

该集成温度传感器，如图4所示，包括温度控制振荡器(TemperatureControlledOscillator，TCO)，片上参考时钟电路以及频率-数字信号转换器(Frequency-to-digitalconverter，FDC)。

所述TCO是由温度感应电路以及模拟-频率信号转换器(Analog-to-frequency，AFC)组成。

温度感应电路，用于感应待测对象温度并将其转换为电信号即电压或电流信号进行输出，输出的电信号为一个不随温度变化和一个随温度变化的模拟信号；不随温度变化的REF模拟信号输出至片上参考时钟电路；随温度变化的模拟信号是一个与绝对温度成正相关PTAT或与绝对温度成负相关CTAT的模拟信号，并输出至AFC中；

AFC由一个片上振荡器构成，其输出频率能够通过偏置信号进行调整，且振荡器中控制振荡频率高低的偏置信号采用温度感电路输出的PTAT或CTAT信号，并将偏置信号转换为频率信号；AFC输出一个表征待测对象温度的频率信号至FDC的计数器。

所述片上参考时钟电路由一个片上振荡器构成，并与AFC使用的片上振荡器相同，但其控制振荡频率高低的偏置信号采用温度感电路输出的REF信号；片上参考时钟电路输出一个基准频率信号至FDC的计数器；

所述的FDC由计数器以及编码器共同构成。

计数器将片上参考时钟电路输出的基准频率信号作为其计数时钟，对AFC输出的表征待测对象温度的频率信号通过计数的方式进行量化，并将量化后的计数值输出到编码器中。

编码器对计数器输出的计数值进行编码并输出表征待测对象温度的数字信号，即数字化的温度信息。

所述片上振荡器为全片上集成的振荡器，如张弛振荡器、环形振荡器或LC振荡器。

该集成温度传感器的工作流程叙述如下：

TCO感应被测对象的温度并将其转换为表征该温度的频率信号输出至FDC。

温度感应电路感知被测对象的温度，将其转换为表征该温度的模拟信号。

将模拟信号的REF信号作为片上参考时钟电路的偏置信号输入至其中，片上参考时钟电路输出的频率信号为FDC的计数器提供不随温度变化的基准频率，使其能够以该频率作为参考来对TCO输出的表征温度信息的频率信号进行量化。

将模拟信号的PTAT或CTAT信号作为AFC的偏置信号输入至AFC中；随后，AFC将接收到的表征待测对象温度的模拟信号转换为频率信号输出至FDC的计数器中，然后通过计数的方式进行量化，并将量化后的计数值输出到编码器中。

编码器对计数器输出的计数值进行编码，并最终输出表征待测对象温度的数字信号，即数字化的温度信息。

对于图1所示的使用ADC的电压域集成温度传感器，其分辨率是由温度感应电路输出信号对温度变化的灵敏度，以及将表征温度信息的模拟信号转换为数字信号的ADC的精度共同决定，具体表示如下：

$\mathrm{Re}solution{|}_{VoltageDomain}={\left(\frac{{\mathrm{\ΔOUT}}_{TS}}{\mathrm{\Δ}T}/\frac{{\mathrm{FS}}_{ADC}}{2^N}\right)}^{-1}---\left(1\right)$

其中，ΔT表示温度的变化量；ΔOUT_TS表示由ΔT引起的温度感应电路输出信号的变化量；FS_ADC表示ADC可接受的最大输入信号范围，即满量程输入幅度；N为ADC的有效位数。考虑到ADC最终输出为数字编码，为了便于计算，该类集成温度传感器的温度分辨率通常使用下述公式表示：

$\mathrm{Re}solution{|}_{VoltageDomain}=\frac{T_{FS}}{N_{Dig\_state}}---\left(2\right)$

其中，T_FS表示集成温度传感器的最大可探测温度范围；N_{Dig_state}为集成温度传感器用于表示T_FS时，使用到的数字编码的个数，即二进制状态数。有效位数为N的ADC，其输出最多含有2^N个二进制状态。因此，本质上电压域集成温度传感器的温度分辨率还是受限于其中的ADC精度。

对于图2所示的时域集成温度传感器，其最小分辨温度同时由温度感应电路输出信号对温度变化的灵敏度以及参考时钟频率决定。由于该类温度传感器基于延迟单元的延迟时间对温度的变化关系进行工作，从而其精度具体取决于上述延迟时间随温度变化的剧烈程度。在相同的温度变化下，如果延迟时间的变化量越大，那么在特定的参考时钟频率下，TDC就能够转换输出更多的数字编码，对应更高的温度分辨率。考虑到延迟单元通常是由数字门电路构成，单个延迟单元的延迟时间随温度变化较缓，从而需要很高频率的参考时钟才能够对如此短暂的时间进行测量。然而，高频时钟的设计不仅面临着电路复杂度的提升，还会造成巨大的功耗。因此，该类集成温度传感器通常采用级联众多延迟单元的方法来提高延迟线的延迟时间对温度变化的敏感度。

假设由温度变化ΔT引起的单个延迟单元的延迟时间变化量为Δτ_delay，参考时钟频率为f_REF，那么基于N个延迟单元级联而成的延迟线架构的时域集成温度传感器的温度分辨率由下式表达：

$\mathrm{Re}solution{|}_{TimeDomain}=\frac{{\left(\frac{N\·{\mathrm{\Δ\τ}}_{delay}}{\mathrm{\Δ}T}\right)}^{-1}}{f_{REF}}=\frac{\mathrm{\Δ}T}{N\·{\mathrm{\Δ\τ}}_{delay}\·f_{REF}}---\left(3\right)$

可得该温度传感器主要是通过实现一个受温度控制的振荡器来产生一个与待测对象温度值一一对应的频率值，并对该频率进行量化来获得数字化的温度信息。实际电路设计中，对频率的量化可以通过计数器来完成，如图4所示，从而可将用于实现所提技术的集成温度传感器的温度分辨率表示如下：

$\mathrm{Re}solution={\left(\frac{{\mathrm{\Δf}}_{TEMP}}{\mathrm{\Δ}T\·f_{REF}}\right)}^{-1}---\left(4\right)$

其中，ΔT＝T₁–T₂表示温度的改变量；Δf_TEMP表示由ΔT引起的TCO输出频率的变化量，即Δf_TEMP＝f_PTAT/CTAT|_T2–f_PTAT/CTAT|_T1；f_REF为参考时钟的频率。式(4)表明，每单位温度变化引起的PTAT/CTAT频率的变化量Δf_TEMP越大，所使用的参考时钟的频率越低，则该集成温度传感器能够分辨的温度变化量越小，即其精度越高。因此，用于实现所提技术的集成温度传感器只需根据应用要求，调整参考时钟频率就可获得所需的温度分辨率，从而能够较为灵活地运用到多种场合。由于采用了模拟电路形式的温度感应电路，用于实现所提技术的集成温度传感器解决了传统时域集成温度传感器的精度和温度感知范围受限于延迟单元电路结构的温度感应电路的问题。此外，由于该温度传感器采用时域量化器FDC对温度信息进行量化，从而避免了难度较大的高精度、低量化误差的ADC设计，降低了集成温度传感器的使用成本。考虑到电源电压和集成电路制作工艺变化对片上振荡器造成的影响而导致的集成温度传感器的性能下降，本发明提出采用相同结构的振荡器来分别用作实现所提技术的集成温度传感器中的参考时钟电路以及AFC，从而在实现温度传感器全片上集成的同时，增强其抵抗电源电压和工艺变化的能力。

综上所述，本发明提供的温度传感器，不仅简化了电路设计，降低了集成温度传感器的使用成本，还避免了传统时域集成温度传感器中延迟单元结构的温度感应电路引起的问题。实现了温度传感器的全片上集成及其对电源电压和工艺变化的抵抗能力的提高。

附图说明

图1为电压域集成温度传感器的系统框图；

图2为传统时域集成温度传感器的系统框图；

图3为本发明的系统框图；

图4为本发明的模块电路构成图；

图5为实施例的温度感应电路结构示意图；

图6为实施例的振荡器结构示意图；

图7为实施例的计数器结构示意图；

图8为实施例的编码器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施实例。

图5和图6分别示意了本实施例的温度感应电路和振荡器电路。温度感应电路输出的表征温度变化的模拟信号为PTAT电流I_PTAT，输出的不随温度变化的信号为基准电流I_REF，如图5所示。其中，PTAT电流I_PTAT和基准电流I_REF分别由下式表示：

$I_{PTAT}=\frac{kT}{{\mathrm{qR}}_1}ln\[\frac{{(W/L)}_{MP2}}{{(W/L)}_{MP1}}\]---\left(5\right)$

$I_{REF}=I_{PTAT}+I_{CTAT}=\frac{kT}{{\mathrm{qR}}_1}ln\[\frac{{(W/L)}_{MP2}}{{(W/L)}_{MP1}}\]+\frac{V_{GS\_MN3}}{R_2}---\left(6\right)$

式中，k是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；q是电子电荷量；W和L分别表示MOS晶体管的沟道宽度和沟道长度；R_x(x＝1，2)为电路中所使用的电阻的阻值；V_GS为MOS晶体管的栅-源电压，且随温度的升高其绝对值具有减小的特性，即具有“负温”特性。

对于图6所示的振荡器，其振荡周期表达式为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{2\·C(V_{IH}-V_{IL})}{I_C}---\left(7\right)$

其中，C为定时电容的容值；V_IH和V_IL分别表示比较器翻转的高阈值电压和低阈值电压；I_C为定时电容的充放电电流。对于用作参考时钟电流的振荡器，其充放电电流I_C由温度感应电路输出的REF信号提供，即使用温度感应电路输出的I_REF作为该振荡器中的I_C；对于用作AFC的振荡器，其充放电电流I_C由温度感应电路输出的PTAT信号提供，即使用温度感应电路输出的I_PTAT作为该振荡器中的I_C。除此之外，上述用作不同功能的振荡器的其余参数均一致，由此可得参考时钟电路输出信号频率和TCO的输出信号频率分别为：

$f_{REF}={\mathrm{\Φ}}_{REF}^{-1}=\frac{I_{C\left(REF\right)}}{2\·C(V_{IH}-V_{IL})}---\left(8\right)$

$f_{TCO}={\mathrm{\Φ}}_{TCO}^{-1}=\frac{I_{C\left(PTAT\right)}}{2\·C(V_{IH}-V_{IL})}---\left(9\right)$

根据温度分辨率表达式(4)，并结合式(8)和式(9)可得：

$\mathrm{Re}solution={\left(\frac{{\mathrm{\Δf}}_{TEMP}}{\mathrm{\Δ}T\·f_{REF}}\right)}^{-1}={\left(\frac{f_{TCO}{|}_{T1}-f_{TCO}{|}_{T2}}{\mathrm{\Δ}T\·f_{REF}}\right)}^{-1}=\frac{\mathrm{\Δ}T\·I_{C\left(REF\right)}}{{\mathrm{\ΔI}}_{C\left(PTAT\right)}}---\left(10\right)$

其中，ΔT表示温度的变化量；ΔI_C(PTAT)＝I_C(PTAT)|_T1–I_C(PTAT)|_T2。式(10)表明，本发明所公开的采用相同结构的片上振荡器来实现温度传感器的全片上集成技术，使得电源电压变化引起的温度感应电路输出电流和片上振荡器输出频率的变化以及由集成电路制作工艺引起的电阻和电容等元器件的变化不会对集成温度传感器造成影响，从而在实现温度传感器全片上集成的同时，达到了增强集成温度传感器抵抗电源电压和工艺变化能力的目的。此外，结合图3至图8可以看到，使用了本发明的集成温度传感器不仅避免了难度较大的高精度、低量化误差的ADC设计，而且解决了传统时域集成温度传感器的精度和温度探测范围均受限于延迟单元结构的温度感应电路的问题。

在本实施中，集成温度传感器的温度探测范围为-40℃至120℃，TCO输出的表征温度的频率在全温度范围内-40℃至120℃的变化为200kHz至360kHz，参考时钟频率为500Hz，由此根据式(4)可知，实施例中的集成温度传感器的温度分辨率为0.5℃。实施例中，编码器将计数器量化后的计数值400编码成000000000输出，以表示-40℃的温度；将量化后的计数值720编码成010100000输出，以表示120℃的温度。

本实施实例中是以常规结构的PTAT/CTAT电流源来作为温度感应电路，并采用片上张弛振荡器来用作实现本发明集成温度传感器中的振荡器。实际上，任意输出模拟信号形式的电路，只要其能够输出一个不随温度变化的信号和一个随温度的变化呈现单调变化(递增或者递减)特性的信号，即可用作温度感应电路；任意结构的片上振荡器，只要其输出频率能够通过偏置信号进行调整，即可用作实现本发明集成温度传感器中的振荡器(参考时钟电路和AFC)。当用于实现本发明集成温度传感器中的模块电路使用其他电路结构时，其分析方法与本实施例类似。

Claims (3)

1.一种集成温度传感器，包括温度控制振荡器TCO，片上参考时钟电路以及频率-数字信号转换器FDC，其特征在于：所述TCO由温度感应电路和模拟-频率信号转换器AFC组成；

温度感应电路，用于感应待测对象温度并将其转换为电信号即电压或电流信号进行输出，输出的电信号为一个不随温度变化和一个随温度变化的模拟信号；不随温度变化的REF模拟信号输出至片上参考时钟电路；随温度变化的模拟信号是一个与绝对温度成正相关PTAT或与绝对温度成负相关CTAT的模拟信号，并输出至AFC中；

AFC由一个片上振荡器构成，其输出频率能够通过偏置信号进行调整，且振荡器中控制振荡频率高低的偏置信号采用温度感电路输出的PTAT或CTAT信号，并将偏置信号转换为频率信号；AFC输出一个表征待测对象温度的频率信号至FDC的计数器；

所述片上参考时钟电路由一个片上振荡器构成，并与AFC使用的片上振荡器相同，但其控制振荡频率高低的偏置信号采用温度感电路输出的REF信号；片上参考时钟电路输出一个基准频率信号至FDC的计数器；

所述的FDC由计数器以及编码器共同构成；

计数器将片上参考时钟电路输出的基准频率信号作为其计数时钟，对AFC输出的表征待测对象温度的频率信号通过计数的方式进行量化，并将量化后的计数值输出到编码器中；

编码器对计数器输出的计数值进行编码并输出表征待测对象温度的数字信号，即数字化的温度信息；

所述片上振荡器为全片上集成的振荡器。

2.如权利要求1所述集成温度传感器，其特征在于：所述全片上集成的振荡器为张弛振荡器、环形振荡器或LC振荡器。

3.如权利要求1所述集成温度传感器，其工作流程如下：

TCO感应被测对象的温度并将其转换为表征该温度的频率信号输出至FDC；

温度感应电路感知被测对象的温度，将其转换为表征该温度的模拟信号；

将模拟信号的REF信号作为片上参考时钟电路的偏置信号输入至其中，片上参考时钟电路输出的频率信号为FDC的计数器提供不随温度变化的基准频率，使其能够以该频率作为参考来对TCO输出的表征温度信息的频率信号进行量化；

将模拟信号的PTAT或CTAT信号作为AFC的偏置信号输入至AFC中；随后，AFC将接收到的表征待测对象温度的模拟信号转换为频率信号输出至FDC的计数器中，然后通过计数的方式进行量化，并将量化后的计数值输出到编码器中；

编码器对计数器输出的计数值进行编码，并最终输出表征待测对象温度的数字信号，即数字化的温度信息。