CN108195477B - 一种精度可调的温度传感器及测试方法 - Google Patents

一种精度可调的温度传感器及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种温度传感器，包括：参考电流生成电路，所述参考电流生成电路生成第一电流和第二电流，所述第一电流与温度相关；电流/频率转换电路，所述电流/频率转换电路接收所述第一电流和第二电流，并将输入的第一电流和第二电流转换成第一频率和第二频率，所述第一频率与温度相关；以及计数器，所述计数器与所述电流/频率转换电路相连，接收参考频率以及所述第一频率和第二频率，在时间t1到时间t1+T1期间，基于参考频率和所述第一频率进行计数获得第一计数值，时间t1+T1到时间t1+T1+T2期间，基于参考频率和所述第二频率进行计数获得第二计数值，其中T1是第一频率的一个时钟周期，T2是第二频率的一个时钟周期。

Description

一种精度可调的温度传感器及测试方法
技术领域
本发明总体上涉及传感器技术领域，更具体而言涉及一种精度可调的温度传感器及测试方法。
背景技术
温度是最普遍的环境变量，温度传感器在很多设备总都是必不可少的。芯片中,通常需要温度传感器来感测温度的变化。温度传感芯片具备能用标准CMOS工艺制造、易于集成、功耗低、体积小等特性，被广泛地应用于各种领域，如消费电子、可穿戴式设备、无线射频识别标签等。
图1示出现有技术的温度传感器的结构示意图，该结构由参考电压生成电路，模拟/数字转换器(以下也称ADC)组成。参考电压生成电路产生与温度成正比的电压ΔVBE(VBE为双极型晶体管的基极-射极电压差，ΔVBE为两个不同电流密度的双极型晶体管的VBE之差)，再将VBE进行放大得到一个与温度成正比的电压Vptat(＝αRΔVBE，其中αR为常数),与此同时参考电压生成电路也生成一个与温度无关的电压Vref(＝αRΔVBE+|VBE|),最后将Vptat和Vref输入到ADC(该ADC通常为Σ-ΔADC)中得到一个比例系数μ：
Figure GDA0002562277080000011
由于Vref与温度无关，所以μ与温度成正比，再将μ进行线性化处理，即可得到最终摄氏温度输出Tout：
Tout＝Aμ+B (2)
根据经验值，μ在(0,1)的范围内，对应的温度大约为(0K,600K)，所以A通常取600K左右，可得到绝对温度Tout,k＝Aμ，再令B＝-273.15K，可以得到摄氏温度值Tout。
当考虑厄利电压的时候，ΔVBE和VBE会引入一个增益因子ηF，上式可以改写为：
Figure GDA0002562277080000021
其中VT为热电压，p为常数，Ic为集电极电流，Is为反向饱和电流，ηF与温度有关，可以看出，增益因子ηF通过比例能够得以消除。
对于一个理想ADC，其量化误差最大值为±0.5LSB，若一个ADC的有效位数为N,则：
Figure GDA0002562277080000022
其中TF为ADC的总输入范围。ADC输出的误差应小于该量化误差，即：
Figure GDA0002562277080000023
可以得到：
Figure GDA0002562277080000024
根据经验值，取TF为600K,若要使ADC引入的误差在0.5摄氏度以内，N应取10；若要使ADC引入的误差在0.2摄氏度以内，N应取11；若要使ADC引入的误差在0.1摄氏度以内，N应取12。
图2示出现有技术的温度传感器的结构示意图，该温度传感器由参考电压生成电路，电流频率转换电路(I/F转换电路)以及计数器等构成。参考电流产生电路生成与温度成正相关的电压VBE，VBE再经过放大之后得到与温度成正相关的电压Vptat，同时生成与温度无关的电压Vbgr，再经过V/F转换电路转换成与温度成正相关的频率Fptat(频率Fptat与电压Vptat之间的关系由等式(7)表示)和与温度无关的频率Fbgr(频率Fbgr与电流Vbgr之间的关系由等式(8)表示),其中td1和td2为V/F转换电路引入的延迟。
Figure GDA0002562277080000025
Figure GDA0002562277080000026
时间0到时间t1(t1＝2NTptat)期间(Tptat为Fptat的一个时钟周期),计数器共计数N(N由等式(9)表示)个，从时间t1到2t1期间，计数器共计数Nx(Nx由等式(10)表示)个，最终得到Nx与N之间的关系由等式(11)表示，若td1和td2可以忽略，可得出该比例与温度成正比。最后再进行线性处理即可。
N＝Fptat×t1 (9)
Nx＝Fbgr×t1 (10)
Figure GDA0002562277080000031
对于图1所示的温度传感器，由于ΔVBE的值很小，需要经过放大才可以输入到ADC中，因此，为了提高精度，需要增加ADC的有效位数，会提高对ADC性能的要求。
对于图2所示的温度传感器，由于ΔVBE的值很小，需要经过放大才可以输入到ADC中；计数器计数时间为2NTptat，若想要提高精度，必须增加N的位数，会大大增加转换时间，由于V/F转换电路中通常使用比较器,其比较器的输入电压为Vptat和Vbgr，其中Vptat会随温度变化，从而引入更多失调。
因此，本领域需要一种新型的温度传感器，通过这种温度传感器电路可省去对ΔVBE进行放大的中间过程，从而简化电路结构并提高测量精度。
发明内容
本发明的任务是提供一种温度传感器，包括：参考电流生成电路，所述参考电流生成电路生成第一电流和第二电流，所述第一电流与温度相关；电流/频率转换电路，所述电流/频率转换电路接收所述第一电流和第二电流，并将输入的第一电流和第二电流转换成第一频率和第二频率，所述第一频率与温度相关；以及计数器，所述计数器与所述电流/频率转换电路相连，接收参考频率以及所述第一频率和第二频率，在时间t1到时间t1+T1期间，基于参考频率和所述第一频率进行计数获得第一计数值，时间t1+T1到时间t1+T1+T2期间，基于参考频率和所述第二频率进行计数获得第二计数值，其中T1是第一频率的一个时钟周期，T2是第二频率的一个时钟周期。
在本发明的一个实施例中，所述第一电流与温度成正相关，所述第二电流与温度成负相关。
在本发明的一个实施例中，所述第一电流与温度成正相关或负相关，所述第二电流与温度无关。
在本发明的一个实施例中，温度传感器还包括计算单元，所述计算单元接收所述第一计数值和第二计数值，基于所述第一计数值和第二计数值进行减法操作获得与温度线性相关的值。
在本发明的一个实施例中，温度传感器还包括分频器，所述分频器连接在所述电流/频率转换电路和计数器之间，用于对所述第一频率和第二频率进行分频，并将分频后的频率输出到计数器。
本发明的另一个实施例提供一种温度传感器，包括：参考电压生成电路，所述参考电压生成电路生成第一电压和第二电压，所述第一电压与温度相关；电压/频率转换电路，所述电压/频率转换电路接收所述第一电压和第二电压，并将输入的第一电压和第二电压转换成第一频率和第二频率，所述第一频率与温度相关；以及计数器，所述计数器与所述电压/频率转换电路相连，接收参考频率以及所述第一频率和第二频率，在时间t1到时间t1+T1期间，基于参考频率和所述第一频率进行计数获得第一计数值，时间t1+T1到时间t1+T1+T2期间，基于参考频率和所述第二频率进行计数获得第二计数值，其中T1是第一频率的一个时钟周期，T2是第二频率的一个时钟周期。
在本发明的另一个实施例中，所述第一电压与温度成正相关，所述第二电压与温度成负相关。
在本发明的另一个实施例中，所述第一电压与温度成正相关或负相关，所述第二电压与温度无关。
本发明的又一个实施例提供一种温度测量方法，包括：
生成第一电流和第二电流，所述第一电流与温度相关；
将输入的所述第一电流和第二电流转换成第一频率和第二频率，所述第一频率与温度相关；
在时间t1到时间t1+T1期间，基于参考频率和所述第一频率进行计数获得第一计数值；
时间t1+T1到时间t1+T1+T2期间，基于参考频率和所述第二频率进行计数获得第二计数值；
基于所述第一计数值和第二计数值进行减法操作获得与温度线性相关的值。
在本发明的又一个实施例中，该方法还包括提高所述参考频率的频率。
在本发明的又一个实施例中，该方法还包括对所述第一频率和第二频率进行分频。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出现有技术的温度传感器的结构示意图；
图2示出现有技术的温度传感器的结构示意图；
图3示出根据本发明的一个实施例的温度传感器300的结构示意图；
图4示出计数值A1、A2与温度误差之间的关系；
图5示出根据本发明的一个实施例的参考电流生成电路310的示意图；
图6示出根据本发明的一个实施例的I/F转换电路320的示意图；
图7示出根据本发明的第一实例实施例的温度传感器700的结构示意图；
图8示出根据本发明的第二实例实施例的温度传感器800的结构示意图；
图9示出根据本发明的第二实例实施例的温度传感器900的结构示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
图3示出根据本发明的一个实施例的温度传感器300的结构示意图。如图3所示，温度传感器300可包括参考电流生成电路310、I/F转换电路320以及计数器330。温度传感器300可以感知芯片温度的变化，与现有结构相比，本结构直接生成与温度相关的参考电流，省去了现有结构中对ΔVBE的放大。若要提高精度，只需要提高Fref的频率或将Fptat和Pctat进行分频，相比于图1所示的现有结构，本发明公开的结构并不需要使用ADC，可以针对不同的精度要求，使用不同频率的Fref，且在功耗上也会更低；相比于图2所示的现有结构，本发明公开的结构提高精度不会增加转换时间。最后，V/F转换电路和I/F转换电路中都有比较器,相比于图2所示的现有结构，本发明中的比较器的输入电压为固定的Vref，会大大减小比较器的失调。
参照图3，参考电流生成电路310可生成与温度成正相关的电流Iptat以及与温度成负相关的电流Ictat，再经过I/F转换电路320转换成与温度成正相关的频率Fptat和与温度成负相关的频率Fctat。频率Fptat与电流Iptat之间的关系由等式(12)表示，频率Fctat与电流Ictat之间的关系由等式(13)表示。
Figure GDA0002562277080000061
Figure GDA0002562277080000062
计数器的输入为一个较快的参考频率Fref，时间t1到时间t1+Tptat期间，Tptat为Fptat的一个时钟周期,计数器共计数A1个，A1由等式(14)表示。时间t1+Tptat到时间t1+Tptat+Tctat期间，Tctat是Fctat的一个时钟周期，计数器共计数A2个，A2由等式(15)表示。最终可得到一个ΔDout与温度成正比，ΔDout由等式(16)表示。Iptat和Ictat中会存在二次非线性的量，由等式(16)可以看出，两个电流相减，可以减去一部分非线性误差。由于Fptat和Fctat中会引入延迟td,但当Fptat和Fctat相减时，会将其延迟抵消掉大部分，且只要将td控制在Tref以内，Tref为Fref的一个时钟周期，延迟对精度的影响就可以忽略。
Figure GDA0002562277080000063
Figure GDA0002562277080000071
Figure GDA0002562277080000072
图4示出计数值A1、A2与温度误差之间的关系，横轴表示温度，范围在-40℃到125℃；纵轴表示温度误差。根据计算，如图4(1)所示，若使A1和A2在整个温度范围内都达到1000以上，则由于计数器引入的误差小于0.1摄氏度；如图4(2)所示，若使A1和A2在整个温度范围内都达到600以上，则由于计数器引入的误差小于0.2摄氏度；如图4(3)所示，若使A1和A2在整个温度范围内都达到200以上，则由计数器引入的误差小于0.5摄氏度。可以看出，若要提高精度，只需要增大A1和A2的值。在本发明的实施例中，可以通过增加Vref的频率或者将Fptat和Fctat进行分频来实现。因此可在I/F转换电路320输出端增加分频器，从而对Fptat和Fctat进行分频，并将分频后的Fptat和Fctat输出到计数器。
图5示出根据本发明的一个实施例的参考电流生成电路310的示意图。参考电流生成电路310用于产生Iptat和Ictat。Iptat为与温度正相关的电流,即Iptat＝ΔVBE/R1,其中ΔVBE＝VBE1-VBE2，Ictat为与温度成负相关的电流，即Ictat＝VBE3/(R2+R3)。VBE1，VBE2，VBE3为晶体管Q1，Q2，Q3的基极-射极电压差。Ictat为与温度成负相关的电流，即Ictat＝VBE3/(R2+R3)。
图6示出根据本发明的一个实施例的I/F转换电路320的示意图。如图6所示，I/F转换电路320包括第一开关SW和第二开关
Figure GDA0002562277080000073
第一开关SW与电流Iptat的输出端相连，第二开关
Figure GDA0002562277080000074
与电流Ictat的输出端相连。第一开关SW和第二开关
Figure GDA0002562277080000075
对Iptat和Ictat进行切换，从而在I/F转换电路320的输出端输出Fptat和Fctat。Fptat和Fctat的关系见等式(12)和(13)。
在本发明的实施例中，计数器330计数的具体过程如下:计数器330的输入为一个较快的参考频率Fref，时间t1到时间t1+Tptat期间其中Tptat为Fptat的一个时钟周期,第一开关SW和第二开关
Figure GDA0002562277080000076
控制I/F转换电路320的输入为Iptat,在此过程中计数器330共计数A1个，A1由等式(14)表示；时间t1+Tptat到时间t1+Tptat+Tctat期间，第一开关SW和第二开关
Figure GDA0002562277080000077
控制I/F转换电路320的输入为Ictat,在此过程中计数器330共计数A2个，A2由等式(15)表示。A1和A2越大，由计数器引入的误差越小。
最后计算单元基于计数器330输出的计数值A1和A2，可获得对应的温度值。由于在计算过程中使用了减法操作，如公式(16)所示，频率转换或计数过程中产生的误差可被部分消除，因此提高了温度测量精度。
图7示出根据本发明的第一实例实施例的温度传感器700的结构示意图。如图7所示，温度传感器700可包括参考电流生成电路710、I/F转换电路720以及计数器730。温度传感器700与图3所示的温度传感器300类似，不同之处在于，参考电流生成电路710生成与温度成正相关的电流Iptat和一个与温度无关的电流Ibgr。或者参考电流生成电路710生成与温度成负相关的电流Ictat和一个与温度无关的电流Ibgr。
I/F转换电路720以及计数器730与图3所示的I/F转换电路320以及计数器330工作方式类似，为了简化描述，不再进行详细描述。
图8示出根据本发明的第二实例实施例的温度传感器800的结构示意图。如图8所示，温度传感器800可包括参考电压生成电路810、V/F转换电路820以及计数器830。计数器830的计数方式与图3所示的计数器工作方式类似。
参考电压生成电路810生成与温度成正相关的电压Vptat以及与温度成负相关的电流Vctat，再经过V/F转换电路820转换成与温度成正相关的频率Fptat和与温度成负相关的频率Fctat，频率Fptat与电流Vptat之间的关系由等式(7)表示，频率Fctat与电流Ictat之间的关系由等式(8)表示。
计数器的输入为一个较快的参考频率Fref，时间0到时间Tptat期间，Tptat为Fptat的一个时钟周期,计数器共计数Dout1个，Dout1由等式(17)表示，时间Tptat到时间Tptat+Tctat期间，计数器共计数Dout2个，Dout2由等式(18)表示，最终可得到一个ΔDout与温度成正比，Dout由等式(19)表示。
Figure GDA0002562277080000081
Figure GDA0002562277080000082
Figure GDA0002562277080000083
图9示出根据本发明的第二实例实施例的温度传感器900的结构示意图。如图9所示，温度传感器900可包括参考电压生成电路910、V/F转换电路920以及计数器930。温度传感器900与图8所示的温度传感器800类似，不同之处在于，参考电压生成电路910生成与温度成正相关的电压Vptat和一个与温度无关的电压Vbgr。或者参考电压生成电路910生成与温度成负相关的电流Vctat和一个与温度无关的电压Vbgr。
V/F转换电路920以及计数器930与图8所示的V/F转换电路820以及计数器830工作方式类似，为了简化描述，不再进行详细描述。
在本发明的一些实施例中，如果希望增加测量精度，在对Fptat和Fctat进行处理时，在使用本发明公开的结构的基础上，还可以将转换时间翻倍，即：计数器的输入为一个较快的参考频率Fref，时间0到时间M×Tptat期间(M＝1，2，3，4，5…),计数器共计数A1个，时间Tptat到时间M×Tptat+M×Tctat期间，计数器共计数A2个。然后基于计数值A1和A2进行处理，获取温度值。
在本发明的一些实施例中，在对I/F的输出Fptat和Fctat进行处理时，可以使用CPU进行处理，还可以使用硬件的方法处理。
通过本发明公开的温度传感器，可直接生成与温度有关的参考电流Iptat和Ictat，省去了将ΔVBE进行放大的中间步骤。然后使用I/F转换电路将Iptat和Ictat转换为与温度正相关的频率Fptat和与温度负相关的频率Fctat，最后将这两个频率分时送入计数器中进行计数。在计数时，使用一个较快的频率Fref对Fptat和Fctat进行测量，若要提高精度，只需要将Fref的频率提高或者将Fptat和Fctat进行分频即可。因此，本发明公开的温度传感器具有结构简单，测量精度可调的优点。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (9)

1.一种温度传感器，包括：
参考电流生成电路，所述参考电流生成电路生成第一电流和第二电流，所述第一电流与温度相关；
电流/频率转换电路，所述电流/频率转换电路接收所述第一电流和第二电流，并将输入的第一电流和第二电流转换成第一频率和第二频率，所述第一频率与温度相关；
计数器，所述计数器与所述电流/频率转换电路相连，接收参考频率以及所述第一频率和第二频率，在时间t1到时间t1+T1期间，基于参考频率和所述第一频率进行计数获得第一计数值，时间t1+T1到时间t1+T1+T2期间，基于参考频率和所述第二频率进行计数获得第二计数值，其中T1是第一频率的一个时钟周期，T2是第二频率的一个时钟周期；以及
计算单元，所述计算单元接收所述第一计数值和第二计数值，基于所述第一计数值和第二计数值进行减法操作获得与温度线性相关的值：
Figure FDA0002444214140000011
2.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述第一电流与温度成正相关，所述第二电流与温度成负相关。
3.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述第一电流与温度成正相关或负相关，所述第二电流与温度无关。
4.如权利要求1所述的温度传感器，还包括分频器，所述分频器连接在所述电流/频率转换电路和计数器之间，用于对所述第一频率和第二频率进行分频，并将分频后的频率输出到计数器。
5.一种温度传感器，包括：
参考电压生成电路，所述参考电压生成电路生成第一电压和第二电压，所述第一电压与温度相关；
电压/频率转换电路，所述电压/频率转换电路接收所述第一电压和第二电压，并将输入的第一电压和第二电压转换成第一频率和第二频率，所述第一频率与温度相关；以及
计数器，所述计数器与所述电压/频率转换电路相连，接收参考频率以及所述第一频率和第二频率，在时间t1到时间t1+T1期间，基于参考频率和所述第一频率进行计数获得第一计数值，时间t1+T1到时间t1+T1+T2期间，基于参考频率和所述第二频率进行计数获得第二计数值，其中T1是第一频率的一个时钟周期，T2是第二频率的一个时钟周期；
计算单元，所述计算单元接收所述第一计数值和第二计数值，基于所述第一计数值和第二计数值进行减法操作获得与温度线性相关的值：
Figure FDA0002444214140000021
6.如权利要求5所述的温度传感器，其特征在于，所述第一电压与温度成正相关，所述第二电压与温度成负相关。
7.如权利要求5所述的温度传感器，其特征在于，所述第一电压与温度成正相关或负相关，所述第二电压与温度无关。
8.一种温度测量方法，包括：
生成第一电流和第二电流，所述第一电流与温度相关；
将输入的所述第一电流和第二电流转换成第一频率和第二频率，所述第一频率与温度相关；
在时间t1到时间t1+T1期间，基于参考频率和所述第一频率进行计数获得第一计数值；
时间t1+T1到时间t1+T1+T2期间，基于参考频率和所述第二频率进行计数获得第二计数值；
基于所述第一计数值和第二计数值进行减法操作获得与温度线性相关的值：
Figure FDA0002444214140000022
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：提高所述参考频率的频率；对所述第一频率和第二频率进行分频。
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