CN107356347A - Cmos数字温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS数字温度传感器，其包括第一振荡器、第二振荡器、可控分频器、计数器、第一寄存器、第二寄存器及数字减法器；第一振荡器产生一振荡周期不随环境温度变化的第一振荡信号并输入至计算器的输入端，第二振荡器产生一振荡周期与环境温度成正比例关系的第二振荡信号并输入至可控分频器的输入端，可控分频器对输入的信号进行N分频，产生的分频信号输入计数器的控制端，计数器将计数结果通过第一寄存器输入至数字减法器的正向输入端；一外部配置信号通过第二寄存器输入至数字减法器的反向输入端，数字减法器将其正向输入端的信号减去其反向输入端的信号而输出一数字信号。本发明的CMOS数字温度传感器的面积和功耗更低，且消除了工艺偏差引入误差，提高了温度测量结果的精度。

Description

CMOS数字温度传感器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种CMOS数字温度传感器。

背景技术

目前常用的CMOS数字温度传感器的结构框图如图1所示，该CMOS数字温度传感器由三个模块所构成：正温度系数电压模块，带隙基准电压模块以及模数转换器。正温度系数电压模块产生一正比于当前环境温度的电压Vp，记当前环境温度为T(单位为摄氏度),则Vp＝q+c*T(q、c均为与温度无关的常量)。带隙基准电压模块产生一不随环境温度变化的电压，其大小记为Vref。模数转换器将输入的电压Vp与Vref的差值(此为模拟信号)转换为对应的数字信号D。电压Vp与Vref的差值Vdiff＝Vp-Vref＝q-Vref+c*T,记q-Vref＝m(m为一与温度无关的常数),因此模数转换器输出数字信号D满足以下关系：

D＝m+c*T (1)

由(1)式可以看出数字输出信号D与当前环境温度T成线性关系。温度传感器制成过后，对于单个温度传感器芯片，式(1)中c和m是固定不变的，因此可以通过记录在两次不同温度T1和T2下模数转换器输出的数字信号D1和D2,即可推出c和m的具体值,m和c满足以下关系式：

得出m和c的具体值后，那么通过温度传感器的数字输出D，即可得出当前环境温度T，从而实现对当前温度的测量。

在现有的CMOS数字温度传感器中，温度传感器的分辨率(即温度传感器能够识别到的最小温度变化)由模数转换器的位宽所决定，设模数转换器的位宽为n，测量温度的上下限分别为Tmax,Tmin，则温度传感器的分辨率R满足以下关系：

从上式可以看出越高的分辨率(R越小分辨率越高)，需要越大的位宽n,而

模数转换器的设计难度以及面积功耗开销会随着位宽n的增大而急剧上升。因此，当温度传感器需要较高的分辨率时，现有结构中的模数转换器会占据较大的面积并且消耗较高的功耗。

另外，由式(1)可知，现在技术中的温度传感的器数字输出D与当前环境温度T的关系满足D＝m+c*T，由于制造工艺的偏差，每一片温度传感器的m和c值均会与理论设计值之间存在一定的偏差，从而使得得到的温度测量结果存在一定的误差；且，现有技术的温度传感器没法对m和c的值进行调节，从而无法规避以上由于工艺偏差所导致的温度测量结果的误差。

因此，有必要提供一种具有更精准的温度测量精度的改进的CMOS数字温度传感器来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种CMOS数字温度传感器，本发明的CMOS数字温度传感器的面积和功耗更低，且消除了工艺偏差引入误差，提高了温度测量结果的精度。

为实现上述目的，本发明提供一种CMOS数字温度传感器，其包括第一振荡器、第二振荡器、可控分频器、计数器、第一寄存器、第二寄存器及数字减法器；所述第一振荡器产生一振荡周期不随环境温度变化的第一振荡信号并输入至所述计算器的输入端，所述第二振荡器产生一振荡周期与环境温度成正比例关系的第二振荡信号并输入至所述可控分频器的输入端，所述可控分频器对输入的第二振荡信号进行N分频，产生一分频信号并将所述分频信号输入所述计数器的控制端，所述分频信号控制所述计数器对输入的第一振荡信号计数，所述计数器将计数结果输入所述第一寄存器进行保存，且所述第一寄存器将所述计数结果输入至所述数字减法器的正向输入端；一外部配置信号输入所述第二寄存器的输入端，所述第二寄存器将所述外部配置信号输入至所述数字减法器的反向输入端，所述数字减法器将其正向输入端输入的信号减去其反向输入端输入的信号，而输出一数字信号。

较佳地，当所述分频信号为高电平时，所述计数器对所述第一振荡信号的上升沿计数；当所述分频信号为低电平时，所述计数器将计数结果输入所述第一寄存器保存，且清零计数结果。

较佳地，所述第一振荡器与第二振荡器具有相同的结构特征。

较佳地，所述第一振荡器包括电流产生单元与振荡信号产生单元，所述电流产生单元产生一不随温度变化的第一电流，所述振荡信号产生单元产生一振荡周期正比于所述第一电流的第一振荡信号，并将所述第一振荡信号输入至所述计数器。

较佳地，所述电流产生单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第一电阻及第二电阻，所述第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管的源极均与外部电源连接，所述第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管的栅极共同连接并与所述振荡信号产生单元连接，所述第一MOS管的漏极、栅极共同连接并与所述第四MOS管的漏极及第一电阻的一端连接，所述第二MOS管的漏极与所述第五MOS管的漏极、栅极共同连接，所述第三MOS管的漏极与所述第六MOS管的漏极、栅极共同连接；所述第四MOS管的栅极与第五MOS管的栅极连接，所述第五MOS管的源极与第二电阻的一端连接，所述第六MOS管的栅极还与所述振荡信号产生单元连接；所述第一电阻的另一端、第四MOS管的源极、第二电阻的另一端及第六MOS管的源均接地。

较佳地，所述第一电阻的阻值大于第二电阻的阻值，且两阻值的比值大于10。

较佳地，所述第四MOS管的宽长比小于所述第五MOS管的宽长比。

较佳地，所述振荡信号产生单元包括三个限流反向器，三个所述限流反向器依次首尾顺序连接形成一闭合回路，且在相邻两个限流反向器之间还设置有旁路电容。

较佳地，每个所述限流反向器均包括第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管及第十MOS管，所述第七MOS管的源极与外部电源连接，其栅极与第三MOS管的栅极连接，所述第七MOS管的漏极与第八MOS管的源极连接；所述第八MOS管的栅极与第九MOS管的栅极共同连接，所述第八MOS管的漏极与第九MOS管的漏极共同连接并形成所述限流反向器的输出端；所述第九MOS管的源极与所述第十MOS管的漏极连接，所述第十MOS管的栅极与第六MOS管的栅极连接，所述第十MOS管的源极接地。

较佳地，每个所述限流反向器的第七MOS管与所述第三MOS管具有相同的尺寸；每个所述限流反向器的第十MOS管与所述第六MOS管具有相同的尺寸。

与现有技术相比，本发明的CMOS数字温度传感器可通过所述第一振荡器与第二振荡器不仅可以调节输出频率随环境温度T的关系，并且由于电路结构中没有传统振荡器所具有的比较器结构，减少了因为比较器延迟而引入的振荡周期的偏差，其输出周期具有更高的准确度；从而使得本发明的CMOS数字温度传感器可实现对常量m和c的调节，有效去除工艺偏差引入的测量误差，提高了温度测量结果的精度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有技术的CMOS数字温度传感器的结构框图。

图2为本发明CMOS数字温度传感器的结构框图。

图3为本发明CMOS数字温度传感器的振荡器的电路结构图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种CMOS数字温度传感器，本发明的CMOS数字温度传感器的面积和功耗更低，且消除了工艺偏差引入误差，提高了温度测量结果的精度。

如图2所示，本发明的CMOS数字温度传感器包括第一振荡器、第二振荡器、可控分频器、计数器、第一寄存器、第二寄存器及数字减法器；所述第一振荡器产生一振荡周期不随环境温度变化的第一振荡信号Tref并输入至所述计算器的输入端，所述第二振荡器产生一振荡周期与环境温度成正比例关系的第二振荡信号Tptat并输入至所述可控分频器的输入端，且所述第二振荡信号Tptat与环境温度T的关系如下所示：

Tptat＝k*T+b(k，b为与温度无关的常量，且k＞0)。

所述可控分频器对输入的第二振荡信号Tptat进行N分频，产生一分频信号Tdiv并将所述分频信号Tdiv输入所述计数器的控制端，在实际使用过程中N的大小可以根据具体需求而具体设置其大小；且所述分频信号Tdiv的周期为第二振荡信号Tptat的N倍，即：Tdiv＝N*Tptat。所述分频信号Tdiv控制所述计数器对输入的第一振荡信号Tref计数，所述计数器将计数结果CNT输入所述第一寄存器进行保存，且所述第一寄存器将其保存的计数结果D1输入至所述数字减法器的正向输入端；具体地，在本发明的优选实施例中，当所述分频信号Tdiv为高电平时，所述计数器对所述第一振荡信号Tref的上升沿计数(从0开始计数)；当所述分频信号Tdiv为低电平时，所述计数器将计数结果CNT输入所述第一寄存器保存，且清零计数结果，从而使得下次计数时，计数器的初始状态为CNT＝0，即从0重新开始计数。一外部配置信号W输入所述第二寄存器的输入端，所述第二寄存器将保存的外部配置信号D2输入至所述数字减法器的反向输入端，所述数字减法器将其正向输入端输入的信号D1减去其反向输入端输入的信号D2，而输出一数字信号DT，即DT＝D1-D2；从而通过所述数字信号DT而得出当前的环境温度。

在本发明的优选实施例中，所述第一振荡器与第二振荡器具有相同的结构特征，仅通过细微的参数设置即可实现两振荡器的不同功能，因此在此仅介绍第一振荡器的具体结构。具体地，请再结合参考图3，所述第一振荡器包括电流产生单元与振荡信号产生单元，所述电流产生单元产生一不随温度变化的第一电流Ib，所述振荡信号产生单元产生一振荡周期正比于所述第一电流Ib的第一振荡信号Fout，并将所述第一振荡信号Fout(即Tref)输入至所述计数器。进一步地，所述电流产生单元包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第一电阻R1及第二电阻R2，所述第一MOS管M1、第二MOS管M2及第三MOS管M3的源极均与外部电源VDD连接，所述第一MOS管M1、第二MOS管M2及第三MOS管M3的栅极共同连接并与所述振荡信号产生单元连接，所述第一MOS管M1的漏极、栅极共同连接并与所述第四MOS管M4的漏极及第一电阻R1的一端连接，所述第二MOS管M2的漏极与所述第五MOS管M5的漏极、栅极共同连接，所述第三MOS管M3的漏极与所述第六MOS管M6的漏极、栅极共同连接；所述第四MOS管M4的栅极与第五MOS管M5的栅极连接，所述第五MOS管M5的源极与第二电阻R2的一端连接，所述第六MOS管M6的栅极还与所述振荡信号产生单元连接；所述第一电阻R1的另一端、第四MOS管M4的源极、第二电阻R2的另一端及第六MOS管M6的源均接地。更进一步地，所述振荡信号产生单元包括三个限流反向器，三个所述限流反向器依次首尾顺序连接形成一闭合回路，且在相邻两个限流反向器之间还设置有旁路电容；具体地，每个所述限流反向器均包括第七MOS管(M71、M72、M73)、第八MOS管(M81、M82、M83)、第九MOS管(M91、M92、M93)及第十MOS管(M11、M12、M13)；其中，以第一个所述限流反向器为例，所述第七MOS管M71的源极与外部电源VDD连接，其栅极与第三MOS管M3的栅极连接，所述第七MOS管M71的漏极与第八MOS管M81的源极连接；所述第八MOS管M81的栅极与第九MOS管M91的栅极共同连接，所述第八MOS管M81的漏极与第九MOS管M91的漏极共同连接并形成所述限流反向器的输出端，并与所述旁边电容C1连接；所述第九MOS管M91的源极与所述第十MOS管M11的漏极连接，所述第十MOS管M11的栅极与第六MOS管M6的栅极连接，所述第十MOS管M11的源极接地。更进一步地，所述第八MOS管M81、第九MOS管M91的栅极与第八MOS管M83、第九MOS管M93的漏极共同连接，以使得三人所述限流反向器形成一闭合回路，如图3所示。

下面请再参考图3，描述所述电流产生单元与振荡信号产生单元的工作原理：

在本发明的优选实施例中，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2构成电流镜结构，且均为P型MOS管，并具有相同的宽长比；因此在不考虑沟道长度调制效应的情况下，流经第一MOS管M1和第二MOS管M2的电流I1、I2大小相同；进一步地，在本发明中，所述第一电阻R1的阻值大于第二电阻R2的阻值，且两阻值的比值大于10，也即第一电阻R1的阻值远大于第二电阻R2的阻值，使得流经第四MOS管M4与第五MOS管M5的电流也相同。再有，作为本发明的一优选实施试，所述第四MOS管M4和第五MOS管M5均为N型MOS管，且第四MOS管M4的宽长比WLR4小于第四MOS管M5的宽长比WLR5(即WLR4＝x*WLR5,x<1)，当流经述第四MOS管M4和第五MOS管M5的电流相同时，第二电阻R2两端电压为Vgs4-Vgs5(Vgs表示MOS管的栅漏电压)，因此流经电阻R2的电流大小Ir2满足

通常情况下，两个通过大致相同电流的MOS管的栅漏电压差(即上式中的Vgs4-Vgs5)呈正温度特性，即温度越高，电压差越大；因此选择具有较低温度系数的第二电阻R2，可以使得电流Ir2与环境温度T的关系近似表示为，

Ir2＝k1*T+b1(k1>0)，其中k1,b1均为常量，其取值由第四MOS管M4、第五MOS管M5及第二电阻R2的尺寸和工艺特征共同决定；具体地，由第四MOS管M4的栅宽、栅长、迁移率、栅极氧化层单位电容，第五MOS管M5的栅宽、栅长、迁移率、栅极氧化层单位电容及第二电阻R2的长宽、方块电阻值大小所共同决定。

另外，由于第四MOS管M4、第五MOS管M5的栅极相连，在电流Ir2较小的情况下，可以认为流经M4的电流I4＝x*Ir2,因此I4与Ir2具有相同的温度特性。流经电阻R1的电流Ir1满足：

在图3所示的偏置情况下，第四MOS管M4的栅漏电压Vgs4呈负温度特

性，即温度越低，电压越大，选择具有较低温度系数的第一电阻R1，可以使得Ir1与环境温度T的关系近似表示为，Ir1＝k2*T+b2(k2<0)，其中k2、b2为常量，且其取值由第四MOS管M4及第一电阻R1的尺寸和工艺特征共同决定；具体地，由第四MOS管M4的栅宽、栅长、迁移率、栅极氧化层单位电容及第一电阻R1的长宽、方块电阻值大小所共同决定。

根据基尔霍夫电流定律，流经第一MOS管M1的电流I1为电流Ir1与电流I4之和。另外，由于第一MOS管M1、第三MOS管M3构成电流镜结构，且第一MOS管M1、第三MOS管具有相同的尺寸，因此流经第三MOS管M3的电流Ib＝I1,即：

从上式可以看出，电流Ib的温度特性可以通过调节x进行改变，当x大于

-k1/k2时，Ib呈正温度特性，当x等于-k1/k2时，电流Ib不随温度发生改变，当x小于-k1/k2时，Ib呈负温度特性；因此，在本发明的具体使用过程中，可通过选择合适尺寸的第一电阻R1、第二电阻R2、第四MOS管M4及第五MOS管M5，而使得具有当前电流产生单元的振荡器可用来作为第一振荡器或第二振荡器，也即所述第一振荡器与第二振荡器具有相同的结构特征，仅有部分器件的参数特性不同而已。

振荡信号产生单元，是由三个限流反向器依次首尾连接而构成的环形振荡器，且在相邻两个限流反向器之间还设置有旁路电容(C1、C2、C3)，其振荡周期Tout满足

Tout＝6*delay

delay表示信号经过每个限流反向器的延迟。在本发明的一优选实施例中，每个所述限流反向器的第七MOS管(M71、M72、M73)与所述第三MOS管M3具有相同的尺寸；且每个所述限流反向器的第十MOS管(M11、M12、M13)与所述第六MOS管M6具有相同的尺寸，从而每个所述限流反相器进行翻转时的充放电最大电流大小等于Ib。将第八MOSt管(M81、M82、M83)，第九MOS管(M91、M92、M93)的宽长比设置为较大的值，那么限流反相器反转时的平均电流可以认为近似等于电流Ib,信号延迟delay满足以下关系：

上式中，VDD表示电源电压大小，C表示限流反向器输出节点寄生电容大小，从而输出信号Fout的周期Tout满足

由于VDD和C的大小不随外界环境温度的变化而变化，因此Tout的温度

特性由电流Ib所决定，当电流Ib呈正温度特性时，Tout呈负温度特性。当Ib呈负温度特性时，Tout呈正温度特性，当电流Ib呈零温度特性时，Tout呈零温度特性。电流Ib的温度特性可以通过调节x(由上述可知)进行改变。因此，对于所述第一振荡器，可以将x设置为等于k1/k2,使得Tref＝Tout；而对于所述第二振荡器，则可以将x设置为一个大于k1/k2的值，使得Tptat＝Tout＝k*T+b(k>0)；从而通过对器件的参数进行设置即可在相同的振荡器结构上实现其不同的输出信号。

如上所述，本发明的振荡器不仅可以调节输出频率随环境温度T的关系，并且由于电路结构中没有传统振荡器所具有的比较器结构，减少了因为比较器延迟而引入的振荡周期的偏差，其输出周期具有更高的准确度。

请再结合参考图2与图3，描述本发明CMOS数字温度传感器的整体工作原理：如上所述，所述计数器在其控制端输入信号为高电平时才对其输入端的第一振荡信号Tref进行计数，控制端的输入信号为可控分频器输出的分频信号Tdiv，其振荡周期也记为Tdiv。假设可控分频器输出的分频信号Tdiv的占空比为50％，即输出分频信号Tdiv的高电平与低电平各占振荡周期的一半，那么计数器的控制端每次高电平的持续时间Td满足以下关系式：

Td＝0.5*Tdiv＝0.5*N*Tptat

Td即为计数器每次计数的持续时间，由于计数器输入端的输入信号振荡频率为Fref＝1/Tref,那么在Td时间段内，计数器计数到的振荡次数CNT满足：

数器将此次计数的结果CNT送入第一寄存器进行保存。第一寄存器输出端信号大小D1＝CNT。第二寄存器的输出信号D2输出外部配置信号W,即D2＝W。D1和D2通过数字减法器进行作差，得到本发明的温度传感器的最终输出DT，其大小满足：

由上式可以看出DT与环境温度T同样满足DT＝c*T+m的形式，因此与图1所示现有技术一样，本发明可以用来测量环境温度。由上述可知，本发明的CMOS数字温度传感器最后输出的数字信号DT中的m和c的大小可以通过调节N与W的进行改变，引入了现有技术所不具有的m和c的调节机制，从而可以有效去除工艺偏差引入的测量误差，提高了温度测量结果的精度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (10)

1.一种CMOS数字温度传感器，其特征在于，包括第一振荡器、第二振荡器、可控分频器、计数器、第一寄存器、第二寄存器及数字减法器；所述第一振荡器产生一振荡周期不随环境温度变化的第一振荡信号并输入至所述计算器的输入端，所述第二振荡器产生一振荡周期与环境温度成正比例关系的第二振荡信号并输入至所述可控分频器的输入端，所述可控分频器对输入的第二振荡信号进行N分频，产生一分频信号并将所述分频信号输入所述计数器的控制端，所述分频信号控制所述计数器对输入的第一振荡信号计数，所述计数器将计数结果输入所述第一寄存器进行保存，且所述第一寄存器将所述计数结果输入至所述数字减法器的正向输入端；一外部配置信号输入所述第二寄存器的输入端，所述第二寄存器将所述外部配置信号输入至所述数字减法器的反向输入端，所述数字减法器将其正向输入端输入的信号减去其反向输入端输入的信号，而输出一数字信号。

2.如权利要求1所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，当所述分频信号为高电平时，所述计数器对所述第一振荡信号的上升沿计数；当所述分频信号为低电平时，所述计数器将计数结果输入所述第一寄存器保存，且清零计数结果。

3.如权利要求2所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，所述第一振荡器与第二振荡器具有相同的结构特征。

4.如权利要求3所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，所述第一振荡器包括电流产生单元与振荡信号产生单元，所述电流产生单元产生一不随温度变化的第一电流，所述振荡信号产生单元产生一振荡周期正比于所述第一电流的第一振荡信号，并将所述第一振荡信号输入至所述计数器。

5.如权利要求4所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，所述电流产生单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第一电阻及第二电阻，所述第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管的源极均与外部电源连接，所述第一MOS管、第二MOS管及第三MOS管的栅极共同连接并与所述振荡信号产生单元连接，所述第一MOS管的漏极、栅极共同连接并与所述第四MOS管的漏极及第一电阻的一端连接，所述第二MOS管的漏极与所述第五MOS管的漏极、栅极共同连接，所述第三MOS管的漏极与所述第六MOS管的漏极、栅极共同连接；所述第四MOS管的栅极与第五MOS管的栅极连接，所述第五MOS管的源极与第二电阻的一端连接，所述第六MOS管的栅极还与所述振荡信号产生单元连接；所述第一电阻的另一端、第四MOS管的源极、第二电阻的另一端及第六MOS管的源均接地。

6.如权利要求5所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，所述第一电阻的阻值大于第二电阻的阻值，且两阻值的比值大于10。

7.如权利要求5所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，所述第四MOS管的宽长比小于所述第五MOS管的宽长比。

8.如权利要求5所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，所述振荡信号产生单元包括三个限流反向器，三个所述限流反向器依次首尾顺序连接形成一闭合回路，且在相邻两个限流反向器之间还设置有旁路电容。

9.如权利要求8所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，每个所述限流反向器均包括第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管及第十MOS管，所述第七MOS管的源极与外部电源连接，其栅极与第三MOS管的栅极连接，所述第七MOS管的漏极与第八MOS管的源极连接；所述第八MOS管的栅极与第九MOS管的栅极共同连接，所述第八MOS管的漏极与第九MOS管的漏极共同连接并形成所述限流反向器的输出端；所述第九MOS管的源极与所述第十MOS管的漏极连接，所述第十MOS管的栅极与第六MOS管的栅极连接，所述第十MOS管的源极接地。

10.如权利要求8所述的CMOS数字温度传感器，其特征在于，每个所述限流反向器的第七MOS管与所述第三MOS管具有相同的尺寸；每个所述限流反向器的第十MOS管与所述第六MOS管具有相同的尺寸。