CN108344527B - 一种脉冲调制温度传感器的校准系统与校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脉冲调制温度传感器的校准系统与校准方法，属于集成电路设计技术领域，该系统包括脉冲数字转换模块和温度控制模块；该方法包括：建立使温度传感器的数字输出值与温度呈线性关系的、可在工程上实现的理论方法；根据所述理论方法构建所述脉冲数字转换模块，产生与温度呈线性关系的数字输出值；所述温度控制模块获取参考温度的实际数字输出值，根据存储的仿真数字输出值和实际数字输出值计算偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准。该系统和方法提高了传感器的测量精度，简化校准过程，能实时自动校准，简化电路结构。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种脉冲调制温度传感器的校准系统与校准方法。
背景技术
伴随物联网的发展，智能家居、智能汽车、可穿戴设备等智能产品不断涌现，这些智能产品都离不开温度测量，CMOS工艺的温度传感器应用广泛。CMOS工艺温度传感器的实现方法之一为脉冲宽度调制温度传感器。其采用延迟模块产生输出脉冲，利用MOS漏电流的温度特性，使输出脉冲的宽度与温度相关，采用计数功能电路将含有温度信息输出脉冲转换为数字输出。然而，传感器的数字输出受工艺误差因素影响产生偏差，降低传感器的测量精度，因此必须对温度传感器进行校准。
传统的校准方法大多应用于以双极晶体管为感温元件的ADS结构温度传感器，而针对CMOS工艺脉冲宽度调制温度传感器的校准方法较为少见。已发表的少数脉冲调制温度传感器的校准方法，存在以下缺点：
1、采用两点校准方法，需测量两个参考温度，校准过程复杂；
2、传感器使用过程中，需要单独的校准环节，不能实时自动校准；
3、校准电路或需要预留较多的震荡单元，或采用双锁相环结构，电路结构复杂。
鉴于此，本发明提出一种脉冲调制温度传感器的校准方法及系统，解决传感器的数字输出偏差的问题，提高传感器的测量精度，同时克服已存在校准电路中的上述缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种脉冲调制温度传感器的校准系统和校准方法，该方法基于CMOS工艺。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种脉冲调制温度传感器的校准系统，包括脉冲数字转换模块和温度控制模块；
所述脉冲数字转换模块，用于根据基准时钟将输出脉冲转换成与温度呈线性关系的数字输出值，包括：
温度传感器延迟模块，用于产生与温度相关的输出脉冲；
基准振荡器，用于产生基准时钟；
计数器，用于在基准时钟控制下对输出脉冲进行计数，产生与温度呈线性关系的数字输出值；
发射模块，用于将所述计数器产生的数字输出值发射至所述温度控制模块；
所述温度控制模块，用于获取参考温度的实际数字输出值，并根据已存储的参考温度的仿真数字输出值计算得到偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准，包括：
存储单元，用于存储数字输出值和参考温度的仿真数字输出值；
处理器，用于根据存储的仿真数字输出值和实际数字输出值计算偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准；
接收模块，用于接收所述发射模块发送的数字输出值并将数字输出值传输至所述存储单元。
优选地，所述温度传感器延迟模块包括：
反相器阵列，用于对温度传感器输入使能信号产生延迟，获得与温度相关的延迟信号；
与门，用于将温度传感器输入的使能信号和延迟信号转换成与温度相关的输出脉冲。
优选地，所述基准振荡器包括：
偏置电流源，用于调节MOS器件参数，产生偏置电流；
环形振荡器，用于在偏置电流作用下产生基准时钟。
本发明的另一目的在于提供一种脉冲调制温度传感器的校准方法，包括脉冲数字转换模块和温度控制模块；
所述脉冲数字转换模块包括度传感器延迟模块、基准振荡器、计数器、发射模块；
所述温度传感器延迟模块包括反相器阵列和与门；
所述基准振荡器包括偏置电流源和环形振荡器；
所述温度控制模块包括存储单元、处理器、接收模块；
所述校准方法包括以下步骤：
步骤A、建立使温度传感器的数字输出值与温度呈线性关系的、可在工程上实现的理论方法；
步骤B、根据所述理论方法构建所述脉冲数字转换模块，产生与温度呈线性关系的数字输出值；
步骤C、所述温度控制模块获取参考温度的实际数字输出值，根据存储的仿真数字输出值和实际数字输出值计算偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准。
优选地，所述步骤A包括：
A1、建立所述反相器阵列中单个反相器的延迟时间与温度的关系式；
A2、分析所述关系式中工艺参数与温度的相关程度，确定与温度弱相关的工艺参数；
A3、分离所述与温度弱相关工艺参数，将延迟时间与温度的关系式整理为
其中tp1表示信号经单个反相器产生的延迟时间，T表示温度，αu表示工艺常数，n型硅和p型硅的αu值分别是-2.4和-2.2，PR1表示单个反相器中与温度弱相关的工艺参数；
A4、分析带有所述偏置电流源和环形振荡器的基准振荡器输出信号周期与温度的关系，得到：
其中ta表示输出信号周期，T表示温度，PR，表示基准振荡器中与温度弱相关的工艺参数；
A5、在A3、A4中理论分析的基础上，建立关于温度的线性函数
优选地，所述步骤B包括：
B1、使能信号经所述反相器阵列产生延迟信号，延迟信号与使能信号经所述与门产生输出脉冲，输出脉冲的脉冲宽度与温度的关系符合
PR表示反相器阵列中与温度弱相关的工艺参数；
B2、所述基准振荡器产生基准时钟，基准时钟周期与温度的关系符合式
B3、输出脉冲与基准时钟经所述计数器产生与温度呈线性关系的数字输出值
通过所述发射模块发射至所述温度控制模块，
其中D为数字输出值。
优选地，所述步骤C包括：
C1、所述温度控制模块通过所述接收模块接收所述脉冲数字转换模块输出的参考温度的实际数字输出值，并获取参考温度的实际数字输出值；
C2、调用所述存储单元中存储的参考温度的仿真数字输出值，通过所述处理器计算实际数字输出值与仿真数字输出值的偏差值；
C3、根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准。
本发明提供的脉冲调制温度传感器的校准系统与校准方法具有以下有益效果：
(1)该校准方法先对传感器输出值做线性化处理，然后通过测量单点参考温度计算偏差值，对线性的输出值校准，从原理上可实现对非同批次具有不同工艺参数的传感器的校准，同时在传感器输出值的线性化处理过程中，考虑了延迟模块的工艺参数与基准振荡器的工艺参数存在的差异，从原理上可实现对同批次工艺参数存在的差异的传感器的校准，该方法从以上两方面提高了传感器的测量精度
(2)校准系统硬件部分由温度传感器延迟模块、基准振荡器和计数器组成，该结构将校准系统与温度传感器集成在一起，简化了系统结构，同时可以实现实时校准。各模块电路结构除偏置电流源以外均可采用数字集成电路实现，便于CMOS工艺集成，有效降低了成本；
(3)引入软件算法利用应用设备中的存储器与处理器计算偏差相较于纯硬件校准方法，简化校准了过程，缩短了校准时间，提高了校准效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种脉冲调制温度传感器的校准系统的结构框图；
图2为本发明实施例1的一种脉冲调制温度传感器的校准系统中基准振荡器的结构示意图；
图3为本发明实施例1的一种脉冲调制温度传感器的校准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种脉冲调制温度传感器的校准系统，具体如图1和图2所示，包括脉冲数字转换模块100和温度控制模块200；
脉冲数字转换模块100用于根据基准时钟将输出脉冲转换成与温度呈线性关系的数字输出值，具体包括温度传感器延迟模块110、基准振荡器120、计数器130和发射模块140：
温度传感器延迟模块110用于产生与温度相关的输出脉冲；基准振荡器120，用于产生基准时钟；计数器130，用于在基准时钟控制下对输出脉冲进行计数，产生与温度呈线性关系的数字输出值；发射模块140，用于将计数器130产生的数字输出值发射至温度控制模块200。
温度控制模块200，用于获取参考温度的实际数字输出值，并根据已存储的参考温度的仿真数字输出值计算得到偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准，具体包括存储单元210、处理器220和接收模块230。
存储单元210用于存储数字输出值和参考温度的仿真数字输出值；处理器220用于根据存储的仿真数字输出值和实际数字输出值计算偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准；接收模块230用于接收发射模块140发送的数字输出值并将数字输出值传输至存储单元210。
进一步地，本实施例中温度传感器延迟模块110包括反相器阵列111和与门112，反相器阵列111用于对温度传感器输入使能信号产生延迟，获得与温度相关的延迟信号；门112用于将温度传感器输入的使能信号和延迟信号转换成与温度相关的输出脉冲。
基准振荡器120包括偏置电流源121和环形振荡器122，偏置电流源121用于调节MOS器件参数，产生偏置电流；环形振荡器122用于在偏置电流作用下产生基准时钟。
本发明在实施过程中校准系统的脉冲数字转换模块100与温度传感器集成在一起，温度控制模块200包含于应用设备中，根据实际应用情况，包括但不限于电脑、智能手机、RFID读写器等。校准系统利用传感器的发射模块和应用设备中接收模块完成数字输出值的发射接收工作，利用应用设备中的存储器和处理器存储数据、计算偏差值，解决了校准电路结构、校准过程复杂以及不能实时自动校准的问题，提高了校准精度和校准效率。
本实施例中“实际数字输出值”是实际测温过程中，传感器输出给控制模块的值，而“仿真数字输出值”是事先已经存储在控制模块中的仿真值。
另外，在上述校准系统的基础上，本实施例还提供了一种脉冲调制温度传感器的校准方法，如图3所示，所属方法包括以下步骤
S1、建立使温度传感器的数字输出值与温度呈线性关系的、可在工程上实现的理论方法；
S2、根据理论方法构建脉冲数字转换模块100，产生与温度呈线性关系的数字输出值；
S3、温度控制模块200获取参考温度的实际数字输出值，根据存储的仿真数字输出值和实际数字输出值计算偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准。
温度传感器校准步骤S3中，需要根据存储的参考值计算偏差值，对温度传感器输出进行校准，因此在步骤S1之前，应该将待测量参考温度的参考数字输出值存储到存储单元210中。待测量参考温度的参考数字输出值的获取途径包括但不限于，在典型工艺角下将仿真温度设置为参考温度，对脉冲调制温度传感器及校准电路进行仿真获取数字输出值，或者基于相同工艺进行多次流片并在参考温度下对多个温度传感器芯片进行多次测量求得的平均值等。
下面对各步骤进行详细说明：
具体的步骤S1包括：
S11、建立反相器阵列111中单个反相器的延迟时间与温度的关系式；
温度传感器校准系统的结构框图如图1所示，其中输入信号通过反相器阵列111中单个反相器后会产生延迟，该延迟时间与温度的关系式为：
式中μ表示电子迁移率、Vth表示阈值电压、COX表示栅氧化层电容、CL表示负载电容，L/W表示沟道长度与宽度的比值、VDD表示电源电压值，其中电子迁移率μ、阈值电压Vth受温度影响；
S12、分析关系式中工艺参数与温度的相关程度，确定与温度弱相关的工艺参数；
工艺参数与温度的关系可表示为：
Vth＝VT0-αVT(T-T0) (3)
其中，T表示温度，T0表示绝对温度300K，VT0表示绝对温度300K下MOS的阈值电压值，μn(T0)表示绝对温度300K下n型半导体的电子迁移率值，VT0、μn(T0)均为常数，αVT表示工艺常数，值取介于-0.5～-3mV/℃之间。目前常用亚微米工艺中，相对于电压源值，式(1)中Vth值与温度的相关性对延迟脉冲的影响可以忽略不计，Vth值属于与温度弱相关工艺参数；
S13、分离与温度弱相关工艺参数，将延迟时间与温度的关系式整理为
其中tp1表示信号经单个反相器产生的延迟时间，T表示温度，αu表示工艺常数，n型硅和p型硅的αu值分别是-2.4和-2.2，PR1表示单个反相器中与温度弱相关的工艺参数；
经以上分析，式(1)可整理为：
即
其中PR1为与温度弱相关的量，温度对该参数值的影响较弱，工程实现过程中可以忽略不计，由式(4)可知，其具体表示为：
S14、分析带有偏置电流源121和环形振荡器122的基准振荡器120输出信号周期与温度的关系，得到：
其中ta表示输出信号周期，T表示温度，PR，表示基准振荡器120中与温度弱相关的工艺参数。
参数可调节偏置电流源如图2虚线框内所示，其偏置电流可表示为：
其中VGS3为P3的栅源电压，将VGS3的值调节为：
此时，产生的偏置电流与温度的关系式可表示为：
如图2所示，参数可调节偏置电流源为环形振荡器提供偏置电流ID，即环形振荡器每一级反相器的充放电电流，则环形振荡器产生的时钟与温度关系为：
S15、在S13、S14中理论分析的基础上，建立关于温度的线性函数
将S13中式(4)和S14中式(10)相除，既得到关于温度的线性函数
具体的步骤S2包括：
S21、使能信号经反相器阵列111产生延迟信号，延迟信号与使能信号经与门112产生输出脉冲，输出脉冲的脉冲宽度与温度的关系符合
PR表示反相器阵列111中与温度弱相关的工艺参数；
如图1所示，温度传感器延迟模块110由反相器阵列111和与门112组成，假设某一温度传感器芯片接收到应用端的测温指示，此时待测量的参考温度为T1，温度传感器首先发出使能信号，使能信号分为两路，一路经反相器阵列111产生延迟信号，该延迟信号输入至二端口与门的一端，该与门的另一端则输入另一路使能信号，两路信号通过与门产生脉冲，该脉冲的脉冲宽度与温度的关系为：
温度传感器校准实施过程中，反相器阵列111每一级反相器的漏电流对下一级反相器充放电，输入使能信号经过每一级反相器都产生一定的延迟，延迟经多级累积达到满足应用要求的值，为了避免普通级连中反相器数量过多造成的面积损耗，本发明中反相器阵列111采用了反相器循环级联的结构，如图1。在温度传感器校准实施过程中，反相器阵列111由M个单个反相器组成，温度传感器设置循环次数为N，则使能信号经过温度传感器延迟模块110产生的脉冲宽度与单个反相器延迟时间的关系为：
tp＝NMtp1 (13)
则PR与PR1的关系为：
PR＝N·M·PR1； (14)
S22、基准振荡器120产生基准时钟，基准时钟周期与温度的关系符合式
根据步骤S14所述分析可知，在温度传感器校准实施过程中，待测参考温度为T1时，某一温度传感器校准系统的基准振荡器会输出基准时钟信号，该时钟信号与参考温度的关系可表示为：
S23、输出脉冲与基准时钟经计数器130产生与温度呈线性关系的数字输出值
通过发射模块140发射至温度控制模块200，
其中D为数字输出值。
温度传感器校准实施过程中，温度传感器延迟模块110产生的输出脉冲作为使能信号输入至计数器使能端，基准振荡器120产生的基准时钟信号作为计数器的时钟信号，根据计数器的工作原理，计数器输出结果如式(16)所示，计数器的输出值与温度呈线性关系，
计数器在功能上可实现输出脉冲与基准时钟信号相除，可在工程上实现温度的线性函数；
温度传感器校准实施过程中，由于校准系统与温度一体集成，测试的参考温度为T1时，某一温度传感器芯片校准系统产生数字输出值D1，即为某一温度传感器芯片数字输出值D1，D1与温度关系式为：
D1＝βiT1 (17)
其中，βi为与温度弱相关的工艺参数，表示工艺对输出的影响。
具体的步骤S3包括：
S31、温度控制模块200通过接收模块230接收脉冲数字转换模块100输出的参考温度的实际数字输出值，并获取参考温度的实际数字输出值；
在温度传感器校准实施过程中，某一温度传感器测量参考温度T1并且转换为数字输出值D1，温度控制模块获取该值，即为参考温度T1的实际数字输出值。
S32、调用存储单元210中存储的参考温度的仿真数字输出值，通过处理器220计算实际数字输出值与仿真数字输出值的偏差值；
在温度传感器校准实施过程中，温度控制模块调用已经存储的参考温度T1的仿真数字输出值DＳ，DＳ与温度同样呈线性关系，但是具有不同的工艺参数，具体表示如下：
Ds1＝βsT1 (18)
在温度传感器校准实施过程中，假设任一温度传感器芯片i，测试的参考温度为T1，根据实际数字输出值Di1和仿真数字输出值DS1，计算偏差值：
ΔD＝Ds1-Di1 (19)
S33、根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准；
在温度传感器校准实施过程中，任一脉冲调制温度传感器i对周围环境进行温度测量，假设环境温度为Tn，对应的数字输出值为Dn，二者符合如下关系：
Dn＝βiTn (20)
其中，将式(17)带入式(19)中整理后可以得到βi的值：
然后，将式(21)带入式(20)中，通过偏差值对温度传感器数字输出值校准，得到校准后的温度结果为：
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种脉冲调制温度传感器的校准系统，其特征在于，包括脉冲数字转换模块(100)和温度控制模块(200)；
所述脉冲数字转换模块(100)，用于根据基准时钟将输出脉冲转换成与温度呈线性关系的数字输出值，包括：
温度传感器延迟模块(110)，用于产生与温度相关的输出脉冲；
基准振荡器(120)，用于产生基准时钟；
计数器(130)，用于在基准时钟控制下对输出脉冲进行计数，产生与温度呈线性关系的数字输出值；
发射模块(140)，用于将所述计数器(130)产生的数字输出值发射至所述温度控制模块(200)；
所述温度控制模块(200)，用于获取参考温度的实际数字输出值，并根据已存储的参考温度的仿真数字输出值计算得到偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准，包括：
存储单元(210)，用于存储数字输出值和参考温度的仿真数字输出值；
处理器(220)，用于根据存储的仿真数字输出值和实际数字输出值计算偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准；
接收模块(230)，用于接收所述发射模块(140)发送的数字输出值并将数字输出值传输至所述存储单元(210)。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲调制温度传感器的校准系统，其特征在于，所述温度传感器延迟模块(110)包括：
反相器阵列(111)，用于对温度传感器输入使能信号产生延迟，获得与温度相关的延迟信号；
与门(112)，用于将温度传感器输入的使能信号和延迟信号转换成与温度相关的输出脉冲。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲调制温度传感器的校准系统，其特征在于，所述基准振荡器(120)包括：
偏置电流源(121)，用于调节MOS器件参数，产生偏置电流；
环形振荡器(122)，用于在偏置电流作用下产生基准时钟。
4.一种脉冲调制温度传感器的校准方法，其特征在于，包括脉冲数字转换模块(100)和温度控制模块(200)；
所述脉冲数字转换模块(100)包括温度传感器延迟模块(110)、基准振荡器(120)、计数器(130)、发射模块(140)；
所述温度传感器延迟模块(110)包括反相器阵列(111)和与门(112)；
所述基准振荡器(120)包括偏置电流源(121)和环形振荡器(122)；
所述温度控制模块(200)包括存储单元(210)、处理器(220)、接收模块(230)；
所述校准方法包括以下步骤：
步骤A、建立使温度传感器的数字输出值与温度呈线性关系的、可在工程上实现的理论方法；
步骤B、根据所述理论方法构建所述脉冲数字转换模块(100)，产生与温度呈线性关系的数字输出值；
步骤C、所述温度控制模块(200)获取参考温度的实际数字输出值，根据存储的仿真数字输出值和实际数字输出值计算偏差值，根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准。
5.根据权利要求4所述的脉冲调制温度传感器的校准方法，其特征在于，所述步骤A包括：
A1、建立所述反相器阵列(111)中单个反相器的延迟时间与温度的关系式；
A2、分析所述关系式中工艺参数与温度的相关程度，确定与温度弱相关的工艺参数；
A3、分离所述与温度弱相关工艺参数，将延迟时间与温度的关系式整理为
其中tp1表示信号经单个反相器产生的延迟时间，T表示温度，αu表示工艺常数，n型硅和p型硅的αu值分别是-2.4和-2.2，PR1表示单个反相器中与温度弱相关的工艺参数；
A4、分析带有所述偏置电流源(121)和环形振荡器(122)的基准振荡器(120)输出信号周期与温度的关系，得到：
其中ta表示输出信号周期，T表示温度，PR'表示基准振荡器(120)中与温度弱相关的工艺参数；
A5、在A3、A4中理论分析的基础上，建立关于温度的线性函数
6.根据权利要求5所述的脉冲调制温度传感器的校准方法，其特征在于，所述步骤B包括：
B1、使能信号经所述反相器阵列(111)产生延迟信号，延迟信号与使能信号经所述与门(112)产生输出脉冲，输出脉冲的脉冲宽度与温度的关系符合
tp表示所述与门(112)产生的输出脉冲的脉冲宽度；PR表示反相器阵列(111)中与温度弱相关的工艺参数；
B2、所述基准振荡器(120)产生基准时钟，基准时钟周期与温度的关系符合式
B3、输出脉冲与基准时钟经所述计数器(130)产生与温度呈线性关系的数字输出值
通过所述发射模块(140)发射至所述温度控制模块(200)，
D表示所述计数器(130)产生的数字输出值。
7.根据权利要求4所述的脉冲调制温度传感器的校准方法，其特征在于，所述步骤C包括：
C1、所述温度控制模块(200)通过所述接收模块(230)接收所述脉冲数字转换模块(100)输出的参考温度的实际数字输出值，并获取参考温度的实际数字输出值；
C2、调用所述存储单元(210)中存储的参考温度的仿真数字输出值，通过所述处理器(220)计算实际数字输出值与仿真数字输出值的偏差值；
C3、根据偏差值对温度传感器的数字输出值进行校准。
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