CN107990992A - 高精度温度传感器及精度调节方法 - Google Patents

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Abstract

一种高精度温度传感器，包括第一MOS管201、MOS管组202、第二MOS管203、第三MOS管204、第一双极晶体管205和第二双极晶体管206、运算放大器208、补偿电路207和ADC109，MOS管组202包括n个串联的MOS管组成，MOS管组202内的MOS管参数与第一MOS管201的参数相同；第一MOS管201的漏级与第三MOS管204的源级相连，第三MOS管204的漏级与第一双极晶体管205的发射极相连，第一双极晶体管205集电极接地。通过增加额外的一阶补偿电路，减弱由于基准电压非理想导致的误差，进而实现更高精度的温度传感器：同时提出如何调整基准使温度传感器的精度更高。

Description

高精度温度传感器及精度调节方法
技术领域
本发明涉及电子领域，具体涉及高精度温度传感器。
背景技术
如图1所示为现有技术的BJT晶体管温度传感器，精度在很大程度上是受传感器当中的基准电压决定的。为了能够将随温度变化的输出接入ADC当中加以量化，基准电压Vref又是不可或缺的，现在没有任何技术，能够实现零温度变化的基准电压。如果不增加额外的补偿电路，基准电压产生的误差就将会直接反映在最终的温度输出当中。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出高精度温度传感器及精度调节方法，一种高精度温度传感器的具体技术方案如下：
一种高精度温度传感器，其特征在于：包括第一MOS管(201)、MOS管组(202)、第二MOS管(203)、第三MOS管(204)、第一双极晶体管(205)和第二双极晶体管(206)、运算放大器(208)、补偿电路(207)和ADC(109)，所述MOS管组(202)包括至少一个串联的MOS管组成，所述MOS管组(202)内的MOS管参数与第一MOS管(201)的参数相同；
所述第一MOS管(201)的漏级与所述第三MOS管(204)的源级相连，所述第三MOS管(204)的漏级与所述第一双极晶体管(205)的发射极相连，所述第一双极晶体管(205)集电极接地，所述第一双极晶体管(205)的基极与集电极相连；
所述MOS管组(202)的漏级与所述第二MOS管(203)的源级相连，所述第二MOS管(203)的漏级与所述第二双极晶体管(206)的发射极相连，所述第二双极晶体管(206)集电极接地，所述第二双极晶体管(206)的基极与集电极相连；
所述运算放大器(208)同向端与所述第一双极晶体管(205)发射极相连，所述运算放大器(206)反向端与所述第二双极晶体管(206)发射极相连，所述第一MOS管(201)的源级与所述MOS管组(202)的源级相连；
所述运算放大器(208)的输出端与所述ADC的输入端相连，所述补偿电路(207)第一输出端与所述运算放大器(208)电源端相连，所述补偿电路(207)第二输出端与所述ADC控制端相连。
一种高精度温度传感器精度调整方法的具体调节方法如下：
一种高精度温度传感器精度调整方法，其特征在于：
步骤1：确定运算放大器(208)的输入电压K是玻尔兹曼常数，q是电子电荷量，T是开尔文绝对温度，n是BJT晶体管电流密度比值；
步骤2：得到基准电压Vref的关系式为其中n0为流过两个BJT晶体管的电流密度比值，k1为比例系数，用于调整Vref；
步骤3：确定ADC的输出电压为：其中m为ADC的有效位数，A为运算放大器(208)的放大倍数，VO为失调电压，用于控制运算放大器(208)输出电压摆幅在ADC量化范围内；
步骤4：确定补偿电路(207)第一输出端电压Voffset和第二输出端电压Vref*，Voffset＝b1Vref，Vref*＝b2Vref，
步骤5：设基准电压线性部分为y1＝K2x+B2，随温度变化的ΔVBE为y2＝K1x+B1，参数B1，B2为调整最终开尔文温度转化为摄氏温度以后的直流漂移参数。确定ADC输出电压为：
步骤6：对Vout在x＝0进行泰勒展开：
其中n为正整数，f(x)的第一项为为常数，通过Voffset调整，第二项的为温度检测的变化斜率，第三项调整的值抵消Vref中非线性分量带来的二阶误差。
本发明的有益效果为：通过增加额外的一阶补偿电路，减弱由于基准电压非理想导致的误差，进而实现更高精度的温度传感器：同时提出如何调整基准使温度传感器的精度更高。增加了补偿电路结构的温度传感器。提高温度传感器精度的ADC基准电压。不需要额外的二阶补偿电路。
增加了Voffset，可以通过修改Voffset，调节输出幅度范围，使输出更好的适应后续电路。通过修调Vref，提高了温度传感器的精度，在不增加复杂的二阶补偿电路的情况下，达到了二阶补偿的效果，对于误差比较大的工艺，可以明显提高芯片的良率，芯片的面积，功耗，成本也能够进一步减少。
附图说明
图1为现有技术电路结构示意图；
图2为本发明电路结构图；
图3为将VBE分解为一阶线性分量与其它阶分量的波形；
图4为线性输入分量产生的一个凹型的温度误差曲线图；
图5是调整后的基准电压Vref与最终的温度误差曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图2所示：一种高精度温度传感器，包括第一MOS管201、MOS管组202、第二MOS管203、第三MOS管204、第一双极晶体管205和第二双极晶体管206、运算放大器208、补偿电路207和ADC109，MOS管组202包括至少一个串联的MOS管组成，MOS管组202内的MOS管参数与第一MOS管201的参数相同；
第一MOS管201的漏级与第三MOS管204的源级相连，第三MOS管204的漏级与第一双极晶体管205的发射极相连，第一双极晶体管205集电极接地，第一双极晶体管205的基极与集电极相连；
MOS管组202的漏级与第二MOS管203的源级相连，第二MOS管203的漏级与第二双极晶体管206的发射极相连，第二双极晶体管206集电极接地，第二双极晶体管206的基极与集电极相连；
运算放大器208同向端与第一双极晶体管205发射极相连，运算放大器206反向端与第二双极晶体管206发射极相连，第一MOS管201的源级与MOS管组202的源级相连；
运算放大器208的输出端与ADC的输入端相连，补偿电路207第一输出端与运算放大器208电源端相连，补偿电路207第二输出端与ADC控制端相连。
补偿电路207利用分压原理产生了两个输出电压Voffset以及Vref*，补偿电路207加入了修调，Voffset和Vref*是根据需求改变的，Voffset的作用是改变运算放大器输出幅值，使其适应ADC的量化范围，修改Vref*的值可以调整整个温度传感器的误差，通过修调可以使Vref*取一个最适合的值，使输出温度误差达到最小。Voffset，Vref和Vref*的关系为，
经过仿真验证，发现并不是基准电压Vref的峰峰值差取得最小就能获得最高的传感器温度。
基准电压的关系式为其中n0为流过两个BJT晶体管的电流密度比值，k1为比例系数，用于调整Vref，Vref的后一项理论上是完全线性的，但是VBE则是一阶占主导，还包含其它阶，且其它阶的成分十分复杂。
如图3可以看出，得到的Vref的变化趋势与这个其它阶曲线的变化趋势是一致的。通过调节k1值，可以抵销VBE中的线性分量，只剩下非线性分量，这时基准电压的绝对误差就更小-峰峰值最小，但是将此时得到的Vref作为ADC的基准并不能让我们的最终输出精度达到最好的效果，经过仿真验证，增大k1以后，使Vref包含一个变化比较小的线性分量，可以使传感器的精度更高。
如果Vref是绝对不随温度变化的值，那么这时理论上温度传感器的输出与实际温度的误差就为0，但是Vref不可能做的这么精确，通过前面的分析，我们可以将Vref分解为线性分量和非线性分量，接着分别讨论这两部分是怎么影响精度的。经过仿真，负斜率的一阶线性输入会产生比绝对值相等的正斜率线性输入更大的误差，这里就不具体分析，当Vref包含正温度的一阶线性输入分量时，温度传感器的精度更高。
首先分析正温度系数的一阶线性Vref分量产生的误差是怎么样的，直流量是可以修调的，我们只关心变化量。
如图4所示，该温度误差曲线为ADC输出温度与实际环境温度的差值，非线性输入分量产生了一个凸型的温度误差曲线，非线性分量是固定的，其导致的误差是不可调的，我们可以通过调整线性分量的占比，来补偿非线性带来的误差，使最终的误差最小。
Vref的线性分量是如何补偿非线性分量的误差，下面我们做一个简略的分析。假设基准电压线性部分为y1＝K2x+B2，随温度变化的ΔVBE为y2＝K1x+B1，此时增加参数B1，B2是因为将最终开尔文温度转化为摄氏温度以后有直流漂移。ADC输出为：
将Vout在x＝0进行泰勒展开：
其中n为正整数，f(x)的第一项为为常数，可以通过Voffset调整，第二项的为我们温度检测的变化斜率，第三项调整的值可以抵消Vref中非线性分量带来的二阶误差，三阶及以上暂时不考虑。
当Vref的峰峰值最小时，不含有一阶变化量或者一阶变化量占比非常小，如果将这种情况的Vref作为ADC的基准，ADC输出温度与实际温度的误差，主要是非线性变化量决定的，而且这个误差是不可修调的，所以增加一阶变化量的占比以后，就给予了我们修调的可能，通过修调，全温范围的温度误差曲线可以出现两个波峰(谷)，因此可以达到更高的精度。
如图5所示，当Vref当中的一阶线性变化量占据比较大的比例以后，ADC输出的温度与实际温度的差值更小，因此实现了更高的精度。

Claims (2)

1.一种高精度温度传感器，其特征在于：包括第一MOS管(201)、MOS管组(202)、第二MOS管(203)、第三MOS管(204)、第一双极晶体管(205)和第二双极晶体管(206)、运算放大器(208)、补偿电路(207)和ADC(109)，所述MOS管组(202)包括至少一个串联的MOS管组成，所述MOS管组(202)内的MOS管参数与第一MOS管(201)的参数相同；
所述第一MOS管(201)的漏级与所述第三MOS管(204)的源级相连，所述第三MOS管(204)的漏级与所述第一双极晶体管(205)的发射极相连，所述第一双极晶体管(205)集电极接地，所述第一双极晶体管(205)的基极与集电极相连；
所述MOS管组(202)的漏级与所述第二MOS管(203)的源级相连，所述第二MOS管(203)的漏级与所述第二双极晶体管(206)的发射极相连，所述第二双极晶体管(206)集电极接地，所述第二双极晶体管(206)的基极与集电极相连；
所述运算放大器(208)同向端与所述第一双极晶体管(205)发射极相连，所述运算放大器(206)反向端与所述第二双极晶体管(206)发射极相连，所述第一MOS管(201)的源级与所述MOS管组(202)的源级相连；
所述运算放大器(208)的输出端与所述ADC的输入端相连，所述补偿电路(207)第一输出端与所述运算放大器(208)电源端相连，所述补偿电路(207)第二输出端与所述ADC控制端相连。
2.一种高精度温度传感器精度调整方法，其特征在于：
步骤1：确定运算放大器(208)的输入电压K是玻尔兹曼常数，q是电子电荷量，T是开尔文绝对温度，n是BJT晶体管电流密度比值；
步骤2：得到基准电压Vref的关系式为其中n0为流过两个BJT晶体管的电流密度比值，k1为比例系数，用于调整Vref；
步骤3：确定ADC的输出电压为：其中m为ADC的有效位数，A为运算放大器(208)的放大倍数，VO为失调电压，用于控制运算放大器(208)输出电压摆幅在ADC量化范围内；
步骤4：确定补偿电路(207)第一输出端电压Voffset和第二输出端电压Vref*，Voffset＝b1Vref，Vref*＝b2Vref，
步骤5：设基准电压线性部分为y1＝K2x+B2，随温度变化的ΔVBE为y2＝K1x+B1，参数B1，B2为调整最终开尔文温度转化为摄氏温度以后的直流漂移参数。确定ADC输出电压为：
步骤6：对Vout在x＝0进行泰勒展开：
其中n为正整数，f(x)的第一项为常数，通过Voffset调整，第二项的为温度检测的变化斜率，第三项调整的值抵消Vref中非线性分量带来的二阶误差。
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