CN107560746B - 一种温度传感器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，提供了一种温度传感器电路，该温度传感器电路包括信号模块、平衡模块、比较模块和处理模块，信号模块包括第一、第二电流和第一、第二三极管以及第一、第二三极管分别产生的第一、第二结电压；平衡模块包括受时钟控制的开关电容电路，开关电容电路包括第一、第二、第三开关和第一、第二电容以及比较模块控制的放电电流；比较模块包括比较器和锁存器；处理模块处理比较器输出的信号并产生代表温度的输出码，藉由前述构造解决了高精度、低压和低功耗技术问题，达成了简单、性能可靠及降低成本的效果。

Description

一种温度传感器电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤指提供了一种温度传感器电路。

背景技术

温度传感器是目前应用范围较广的一种传感器。该传感器以CMOS芯片为基础集成温度传感器，其在家电、电机控制及计量测试等领域起着不可替代的作用，同时也是当前物联网设备及可穿戴等设备的重要组成部分。温度传感器一般应用于需要精确检测环境温度的场合，既可直接产生当前温度的数据，也可利用该温度数据来校准其他受环境温度影响较大的参数。然而，现有技术的温度传感器（如图1），虽然在CMOS芯片上集成温度传感器，且广泛应用于工业、农业及家用等各个领域，但诸如物联网、智能可穿戴设备等新领域的应用就显得力不从心了，这是由于市场对于集成电路的低压低功耗的需求越来越强烈，温度传感器作为集成控制芯片的主要组成部分，对于其精度和功耗的要求也越来越严苛。因此，传统的高精度温度传感器结构是通过三极管和运算放大器OP嵌制电路产生一个具有正温度系数的差分电压∆Vbe，由于该电压绝对值很小，因此一般需要通过放大器电路放大该电压信号，最后再用高精度模数转换器ADC量化放大后的电压信号Vptat得到同温度成正比的输出码Dout。由此可见，现有技术的温度传感器普遍存在的问题是：必须使用运算放大器OP和模数转换器ADC模块，这样设计的最低工作电压往往较高，且运算放大器OP和模数转换器ADC的功耗也较大，实现成本较高。如何在保证传感器精度的前提下，实现低工作电压、低功耗、低成本成了业界需攻克的难题，特别是通过对于电池应用环境下的芯片供电电源就显得尤为突出。解决高精度、低压、低功耗、低成本温度传感器的技术问题对于电池应用的控制芯片来说至关重要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种温度传感器电路，该温度传感器电路解决了高精度、低压、低功耗及低成本的技术问题。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供了一种温度传感器电路，该温度传感器电路包括信号模块、平衡模块、比较模块和处理模块，其中：信号模块包括第一、第二电流和第一、第二三极管以及第一、第二三极管分别产生的第一、第二结电压；平衡模块包括受时钟控制的开关电容电路，开关电容电路包括第一、第二、第三开关和第一、第二电容以及比较模块控制的放电电流；比较模块包括比较器和锁存器；处理模块处理比较器输出的信号并产生代表温度的输出码，其中：第一电流连接第一三极管发射极，第一三极管基极与集电极相连后接地，以此产生第一结电压，第二电流连接第二三极管发射极，第二三极管基极与集电极相连后接地，以此产生第二结电压；平衡模块连接第二结电压，比较模块连接第一结电压，其中：比较器负端连接第一结电压，第二结电压依序连接到受时钟控制的第一、第二开关和比较器正端，使第一、第二开关形成串连并具有串接点，第一电容的一端连接在串接点上，另一端接地；第二电容的一端连接在第二开关与比较器正端之间的线路上，另一端接地；第三开关的一端连接在第二电容与比较器正端之间的线路上，另一端连接放电电流而接地，同时第三开关连接锁存器并受锁存器控制。

在本实施例中优选：信号模块工作时，第一电流流过第一三极管，第二电流流过第二三极管，以此产生的电压分别为公式：

其中：

k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电荷，I₁是流过三极管集电极的电流，Is是三极管的饱和电流；

在本实施例中优选：平衡模块的电荷平衡原理为：在受时钟控制正周期时，第一开关导通，对第一电容充电，使第一电容的电压为第二结电压；在受时钟控制负周期时，第二开关导通，第一电容对第二电容充电，其中：第二电容大于第一电容。

在本实施例中优选：开关电容电路每个周期都对第二电容充电，使得比较器正端电压上升，当正端电压大于第一结电压时，比较器输出为1，经锁存器电路抓取CP=1，放电电流上面的第三开关导通，第二电容通过放电电流放电，放电电流在一个周期内流出的电荷多于开关电容电路对第二电容补充的电荷，使比较器正端电压下降；当比较器正端电压小于第二结电压时，比较器输出为0，经锁存器电路抓取CP=0，关断放电电流上面的第三开关，比较器正端电压再次上升。

在本实施例中优选：开关电容电路等效成电阻，为公式：

，

其中是开关电容控制时钟的频率，因此开关电容电路的等效充电电流为公式：

，

因此，经过N个周期后，放电电流的等效放电电荷等于开关电容电路的充电电荷，其中：第二电容上的平均充电电流等于平均放电电流，因此得到：

其中：N1是在工作的N个周期里比较器输出为1的周期数，是指放电周期数，所以平均放电电流为。

本发明与现有技术相比，其有益的效果是：本发明提供的温度传感器电路利用电荷平衡技术，通过多周期的比较和反馈，等效得到了具有正温度系数的输出码。在此过程中并不需要使用运算放大器电路和模数转换器，降低了电路的复杂度和成本，同时也降低了功耗，实用较低工作电压，所以能够在电池做电源的应用环境下以低功耗进行温度感应。起到了高精度、低压、低功耗及低成本的效果，以此符合物联网设备及可穿戴等设备的应用。

附图说明

图1是现有技术的电路结构示意图。

图2是本发明实施的方框结构示意图。

图3是本发明实施的电路结构示意图。

图4是图3中平衡模块工作状态的电路示意图。

具体实施方式

尽管本发明可以容易地表现为不同形式的实施例，但在附图中示出并且在本说明书中将详细说明的仅仅是其中一些具体实施例，同时可以理解的是本说明书应视为是本发明原理的示范性说明，而并非旨在将本发明限制到在此所说明的那样。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用以说明本发明的一个实施例的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施例必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其它的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用以解释本发明的各种组件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些组件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些组件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

以下结合本说明书的附图，对本发明的较佳实施例予以进一步地详尽阐述。

请参阅图2、图3并结合参阅图4所示，图是提供了一种温度传感器电路，该温度传感器电路包括电压信号产生模块（以下简称“信号模块”）10、电荷平衡模块（以下简称“平衡模块”）20、比较模块30和数字处理模块（以下简称“处理模块”）40，其中：

信号模块10包括第一、第二电流I、pI及第一、第二三极管Q1、Q2，第一、第二三极管Q1、Q2均为同尺寸PNP三极管，分别产生（两个三极管BE）第一、第二结电压VBE1、VBE2，其中：信号模块10的电路形式为第一电流I连接第一三极管Q1的发射极，第一三极管Q1的基极与集电极相连后接地，以此产生结电压VBE1，如此同时第二电流pI连接第二三极管Q2的发射极，第二三极管Q2的基极与集电极相连后接地，以此产生结电压VBE2；信号模块10工作原理是第一电流I流过第一三极管Q1，p倍的电流I（如第二电流pI）流过第二三极管Q2，以此产生的电压分别为，公式：

其中：

k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电荷，I₁是流过三极管集电极的电流，Is是三极管的饱和电流；

平衡模块20（请结合参阅图4）包括受CK时钟控制的开关电容电路，开关电容电路包括第一、第二、第三开关SW1、SW2、SW3和第一、第二电容C1、C2及受比较器CMP输出信号CP控制的放电电流Ir，其中第二电容C2大于第一电容C1容量，比较模块30提供比较功能及输出信号，并包括比较器CMP和锁存器Latch；处理模块40处理比较器输出CMP的信号，并产生代表温度的输出码Dout。在本实施例中，平衡模块20及比较模块30的电路形式：平衡模块20连接第二结电压VBE2，比较模块30连接第一结电压VBE1，其中：比较器CMP负端连接第一结电压VBE1，第二结电压VBE2依序连接到受CK时钟控制的第一、第二开关SW1、SW2和比较器CMP正端，使第一、第二开关SW1、SW2形成串连，同时第一电容C1的一端连接在第一开关SW1与第二开关SW2之间的串接点上，另一端接地；第二电容C2的一端连接在第二开关SW2与比较器CMP正端之间的线路上，另一端接地；第三开关SW3的一端连接在第二电容C2与比较器CMP正端之间的线路上，另一端连接放电电流Ir而接地，同时第三开关SW3连接锁存器Latch输出并受锁存器Latch输出CP控制。在本实施例中，电荷平衡原理为：在CK正周期，第二结电压VBE2和第一电容C1之间的开关导通，对第一电容C1充电，使第一电容C1上极板的电压为第二结电压VBE2；在CK负周期，第一电容C1电容和第二电容C2之间的开关导通，第一电容C1对大电容C2充电，由于开关电容电路每个周期都对第二电容C2充电，使得比较器CMP正端电压VA上升，当VA>VBE1时，比较器输出为1，经锁存器Latch电路抓取，CP=1，放电电流Ir上面的第三开关SW3导通，第二电容C2通过放电电流Ir放电，该放电电流Ir在一个周期内流出的电荷多于开关电容对第二电容C2补充的电荷，使VA下降；当VA<VBE1时，比较器输出为0，经锁存器Latch电路抓取，CP=0，关断放电电流开关，VA再次上升。由于C2>>C1，每个周期内VA电压的波动很小，因此电荷平衡的结果使得VA≈VBE1，经过N个周期后，放电电流Ir的平均放电电荷基本等于开关电容的充电电荷。

根据开关电容的基本原理可知，开关电容可以等效成电阻，该等效电阻，其中是开关电容控制时钟的频率，因此开关电容电路的等效充电电流为,，因此根据之前的推论，经过N个周期后， Ir的等效放电电荷等于开关电容的充电电荷，即第二电容C2上的平均充电电流等于平均放电电流，可以得到,

其中：N1是在工作的N个周期里比较器输出为1的周期数，即放电的周期数，所以平均放电电流为。

如果使用一个累加器来处理比较器的输出，即将比较器每个周期的输出不断累加，则温度传感器的数字码输出Dout=N1，

根据之前的电压公式，即为正温度系数电压，

输出码Dout可以表示成，

因此温度传感器的输出Dout是一个同温度成正比例的数字码，该输出码的有效位数同周期数N有关，电荷平衡的周期越多，则传感器的精度越高。

以上所述内容为电荷平衡温度传感器的一种实现方式，并不局限于该种实现方式，如：

包括使用NPN管代替PNP管产生结电压；

包括调换VBE2和VBE1的输入顺序，使用开关电容电路对C1放电，使用Ir电流对C2电容充电来达到电荷平衡的目的；

包括采用不同结构的比较器或具有比较功能的电路结构，比如使用动态比较器来代替上述实现方式中的比较器和锁存器Latch模块；

包括用其他数字处理方式代替累加器，比如高阶滤波器或其他滤波电路，以提高温度传感器的输出码精度。

Claims (5)

1.一种温度传感器电路，包括信号模块、平衡模块、比较模块和处理模块，其中：信号模块包括第一、第二电流和第一、第二三极管以及第一、第二三极管分别产生的第一、第二结电压；平衡模块包括受时钟控制的开关电容电路，开关电容电路包括第一、第二、第三开关和第一、第二电容以及比较模块控制的放电电流；比较模块包括比较器和锁存器；处理模块处理比较器输出的信号并产生代表温度的输出码，其特征在于：第一电流连接第一三极管发射极，第一三极管基极与集电极相连后接地，以此产生第一结电压，第二电流连接第二三极管发射极，第二三极管基极与集电极相连后接地，以此产生第二结电压；平衡模块连接第二结电压，比较模块连接第一结电压，其中：比较器负端连接第一结电压，第二结电压依序连接到受时钟控制的第一、第二开关和比较器正端，使第一、第二开关形成串连并具有串接点，第一电容的一端连接在串接点上，另一端接地；第二电容的一端连接在第二开关与比较器正端之间的线路上，另一端接地；第三开关的一端连接在第二电容与比较器正端之间的线路上，另一端连接放电电流而接地，同时第三开关连接锁存器并受锁存器控制。

2.如权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于：信号模块工作时，第一电流流过第一三极管，第二电流流过第二三极管，以此产生的电压分别为公式：

其中：k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电荷，I₁是流过第一三极管集电极的电流，p.I₁是流过第二三极管集电极的电流，为p倍的I₁，Is是三极管的饱和电流。

3.如权利要求2所述的温度传感器电路，其特征在于：平衡模块的电荷平衡原理为：在受时钟控制正周期时，第一开关导通，对第一电容充电，使第一电容的电压为第二结电压；在受时钟控制负周期时，第二开关导通，第一电容对第二电容充电，其中：第二电容>>第一电容。

4.如权利要求3所述的温度传感器电路，其特征在于：开关电容电路每个周期都对第二电容充电，使得比较器正端电压上升，当正端电压大于第一结电压时，比较器输出为1，经锁存器电路抓取CP＝1，放电电流上面的第三开关导通，第二电容通过放电电流放电，放电电流在一个周期内流出的电荷多于开关电容电路对第二电容补充的电荷，使比较器正端电压下降；当比较器正端电压小于第一结电压时，比较器输出为0，经锁存器电路抓取CP＝0，关断放电电流上面的第三开关，比较器正端电压再次上升。

5.如权利要求4所述的温度传感器电路，其特征在于：开关电容电路等效成电阻，为公式：

其中f_CK是开关电容控制时钟的频率，因此开关电容电路的等效充电电流为公式：

Ic＝(VBE2-VA)/Re＝(VBE2-VBE1)f_CKC1，

因此，经过N个周期后，放电电流的等效放电电荷等于开关电容电路的充电电荷，其中：第二电容上的平均充电电流等于平均放电电流，因此得到：

其中：N1是在工作的N个周期里比较器输出为1的周期数，是指放电周期数，所以平均放电电流为Ir为放电电流。