CN108572034A - 一种内建时钟的温度传感器电路 - Google Patents
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Abstract
一种内建时钟的温度传感器电路，属于电子电路技术领域。首先利用带隙基准模块产生带隙基准电压和正温度系数电压，然后用两个相同的压频转换电路分别将正温度系数电压与带隙基准电压转化为正温度系数电压频率和带隙基准电压频率，最后通过两个计数器计数，当第二计数器计满之后通过反馈信号使得第一计数器停止计数，通过获得正温度系数电压与带隙基准电压比值来获得温度值大小，所设计的温度传感器结构简单，可以做到低功耗；带隙基准模块中使用斩波运放用于消除运放失调所引起的误差，带隙基准模块后增加一个系统斩波模块来减小比较器失调电压对温度检测的误差；第二计数器产生第一时钟信号和第二时钟信号，具有频率范围广、时钟频率可调等优点。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种高精度的内建时钟的温度传感器电路。
背景技术
温度是一种物理现象，在生产生活、各行各业当中都对我们产生着深刻的影响。因此无论是工农业生产还是科学研究都离不开温度测量和温度传感器。尤其是随着近几年来物联网热潮的兴起，温度传感器作为物联网的基本构成元件，市场应用范围不断扩大。在电路系统中设计温度传感器有助于提高整个电路系统温度的稳定性和易检测性。
传统的温度传感器大多使用信号调制器Sigma-Delta ADC实现转换，信号调制器
Sigma-Delta ADC具有分辨率高和精度高等特点，但由于其使用了电容阵列，消耗的版图面积较大，且其电路架构复杂，温度转化时间较长。
发明内容
针对上述电路结构复杂、温度转化时间长等不足之处，本发明提出一种内建时钟的温度传感器电路，通过调节计数器的位数来调节温度的分辨率，具有结构简单和精度高的特点；同时提出多种校准方法，可以减小测温误差；另外电路内部还可以提供了第一时钟信号f1和第二时钟信号clock，具有频率范围广、时钟频率可调等优点。
本发明的技术方案为：
一种内建时钟的温度传感器电路，包括带隙基准模块、压频转换模块、计数器模块、第一或门、第二或门、第一反相器和D触发器，
所述带隙基准模块用于产生带隙基准电压Vref和正温度系数电压Vptat，包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一NMOS管MN1、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS 管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13、第十四PMOS管MP14、第十五PMOS管MP15、第十六PMOS管MP16、第十七PMOS管 MP17、第十八PMOS管MP18、第十九PMOS管MP19、第二十PMOS管MP20、第二十一 PMOS管MP21、第二十二PMOS管MP22、第二十三PMOS管MP23、第二十四PMOS管MP24、第二十五PMOS管MP25、第二十六PMOS管MP26、第二十七PMOS管MP27、第二十八PMOS管MP28、第二十九PMOS管MP29和第三十PMOS管MP30，
第一运算放大器A1的正向输入端连接第一三极管Q1的发射极和第一PMOS管MP1的漏极，其负向输入端连接第二PMOS管MP2的漏极并通过第一电阻R1后连接第二三极管 Q2的发射极，其输出端连接第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6 和第八PMOS管MP8的栅极；
第一PMOS管MP1的栅极连接第二PMOS管MP2、第五PMOS管MP5和第七PMOS 管MP7的栅极并连接偏置电压VBP，其源极连接第三PMOS管MP3的漏极；
第四PMOS管MP4的漏极连接第二PMOS管MP2的源极，其源极连接第三PMOS管 MP3、第六PMOS管MP6和第八PMOS管MP8的源极并连接电源电压；
第五PMOS管MP5的源极连接第六PMOS管MP6的漏极，其漏极连接第二电阻R2的一端和第二运算放大器A2的正向输入端并输出所述带隙基准电压Vref；
第三三极管Q3的发射极连接第二电阻R2的另一端，其基极和集电极连接第一三极管 Q1的基极和集电极以及第二三极管Q2的基极和集电极并接地；
第七PMOS管MP7的源极连接第八PMOS管MP8的漏极，其漏极输出所述正温度系数电压Vptat并通过第三电阻R3后接地；
第十八PMOS管MP18的栅极连接第一修调控制信号v10，其源极连接第十九PMOS管MP19的漏极，其漏极连接第九PMOS管MP9、第十二PMOS管MP12、第十五PMOS管 MP15和第二十一PMOS管MP21的漏极以及第十一PMOS管MP11、第十四PMOS管MP14、第十七PMOS管MP17、第二十PMOS管MP20、第二十二PMOS管MP22、第二十四PMOS 管MP24、第二十六PMOS管MP26、第二十八PMOS管MP28和第三十PMOS管MP30的栅极并连接第五电阻R5的一端；
第十五PMOS管MP15的栅极连接第二修调控制信号v20，其源极连接第十六PMOS管MP16的漏极；第十二PMOS管MP12的栅极连接第三修调控制信号v30，其源极连接第十三PMOS管MP13的漏极；第九PMOS管MP9的栅极连接第四修调控制信号v40，其源极连接第十PMOS管MP10的漏极；
第十一PMOS管MP11的源极连接第十四PMOS管MP14、第十七PMOS管MP17、第二十PMOS管MP20、第二十二PMOS管MP22、第二十四PMOS管MP24、第二十六PMOS 管MP26、第二十八PMOS管MP28和第三十PMOS管MP30的源极并连接电源电压，其漏极连接第十PMOS管MP10的源极；
第十三PMOS管MP13的栅极连接第十PMOS管MP10、第十六PMOS管MP16、第十九PMOS管MP19、第二十一PMOS管MP21、第二十三PMOS管MP23、第二十五PMOS 管MP25、第二十七PMOS管MP27和第二十九PMOS管MP29的栅极以及第五电阻R5的另一端和第一NMOS管MN1的漏极，其源极连接第十四PMOS管MP14的漏极；
第十六PMOS管MP16的源极连接第十七PMOS管MP17的漏极，第十九PMOS管MP19 的源极连接第二十PMOS管MP20的漏极；
第二运算放大器A2的负向输入端连接第一NMOS管MN1的源极并通过第四电阻R4后接地，其输出端连接第一NMOS管MN1的栅极；
第二十一PMOS管MP21的源极连接第二十二PMOS管MP22的漏极；
第二十三PMOS管MP23的源极连接第二十四PMOS管MP24的漏极，其漏极输出第一基准电流Iref1；
第二十五PMOS管MP25的源极连接第二十六PMOS管MP26的漏极，其漏极输出第二基准电流Iref2；
第二十七PMOS管MP27的源极连接第二十八PMOS管MP28的漏极，其漏极输出第三基准电流Iref3；
第二十九PMOS管MP29的源极连接第三十PMOS管MP30的漏极，其漏极输出第四基准电流Iref4；
所述第一运算放大器A1为斩波运算结构，其斩波时钟为第一时钟信号f1；
所述压频转换模块包括具有相同结构的第一压频转换电路和第二压频转换电路，所述第一压频转换电路的输入端连接所述带隙基准电压Vref，其输出端连接第一或门的第一输入端；所述第二压频转换电路的输入端连接所述正温度系数电压Vptat，其输出端连接第二或门的第一输入端；
所述计数器模块包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器的输入端连接所述第一或门的输出端，其输出端作为所述温度传感器电路的输出端；所述第二计数器的输入端连接所述第二或门的输出端，其最大位输出通过第一反相器后连接所述D触发器的数据输入端；所述第一时钟信号f1为所述第二计数器的输出端中的其中一位输出；所述第一计数器、第二计数器和D触发器的置位端连接外部使能信号ENA；所述D触发器的Q输出端输出反馈信号FB连接所述第一或门和第二或门的第二输入端。
具体的，所述第一压频转换电路包括第一比较器、第二比较器、SR锁存器、第二NMOS 管MN2、第三NMOS管MN3、第一电容C1、第二电容C2、第六电阻R6、第七电阻R7、第一斩波开关S1、第二斩波开关S2、第三斩波开关S3和第四斩波开关S4，
所述第一压频转换电路的输入端一方面通过第一斩波开关S1后连接第一比较器的负向输入端，另一方面通过第四斩波开关S4后连接第二比较器的负向输入端；
第二NMOS管MN2的漏极作为所述第一压频转换电路的第一基准输入端一方面通过第一电容C1后接地，另一方面通过第一斩波开关S1后连接第一比较器的正向输入端，其源极通过第六电阻R6后接地，其栅极连接SR锁存器的Q输出端并作为所述第一压频转换电路的输出端；
第三NMOS管MN3的漏极作为所述第一压频转换电路的第二基准输入端一方面通过第二电容C2后接地，另一方面通过第四斩波开关S4后连接第二比较器的正向输入端，其源极通过第七电阻R7后接地，其栅极连接SR锁存器的Q非输出端；
第一比较器的输出端通过第二斩波开关S2后连接SR锁存器的S输入端，第二比较器的输出端通过第三斩波开关S3后连接SR锁存器的R输入端；第一斩波开关S1、第二斩波开关S2、第三斩波开关S3和第四斩波开关S4的斩波时钟为所述第一时钟信号f1；
所述第二压频转换电路与第一压频转换电路具有相同的结构，所述第一压频转换电路的第一基准输入端连接所述第一基准电流Iref1，其第二基准输入端连接所述第二基准电流Iref2；所述第二压频转换电路的第一基准输入端连接所述第三基准电流Iref3，其第二基准输入端连接所述第四基准电流Iref4。
具体的，所述第一运算放大器A1包括第五斩波开关S5、第六斩波开关S6、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第三十一PMOS管MP31、第三十二 PMOS管MP32、第八电阻R8、第三电容C3、第一电流源I1和第二电流源I2，
所述第一运算放大器A1的正向输入信号通过第五斩波开关S5后连接第三十二PMOS管 MP32的栅极，其负向输入信号通过第五斩波开关S5后连接第三十一PMOS管MP31的栅极；
第三十一PMOS管MP31的源极连接第三十二PMOS管MP32的源极并连接第一电流源I1的正向端，其漏极连接第四NMOS管MN4的漏极并通过第六斩波开关S6后连接第四 NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的栅极；第一电流源I1的负向端连接电源电压；
第三十二PMOS管MP32的漏极连接第五NMOS管MN5的漏极并通过第六斩波开关S6后连接第六NMOS管MN6的栅极和第八电阻R8的一端；
第三电容C3的一端连接第八电阻R8的另一端，其另一端连接第六NMOS管MN6的漏极和第二电流源I2的正向端并作为所述第一运算放大器A1的输出端；第二电流源I2的负向端连接电源电压；
第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源极接地，第五斩波开关S5和第六斩波开关S6的斩波时钟为所述第一时钟信号f1。
具体的，所述温度传感器电路还包括修调开关模块，用于产生所述第一修调控制信号v10、第二修调控制信号v20、第三修调控制信号v30和第四修调控制信号v40，其输入信号由外部给定。
具体的，所述带隙基准模块和所述压频转换模块之间还包括系统斩波模块，所述系统斩波模块包括第二反相器、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9和第十NMOS管MN10，
第二反相器的输入端连接第二时钟信号clock，其输出端输出第二时钟信号的反相信号 clock_n；
第七NMOS管MN7的栅极连接所述第二时钟信号clock，其源极连接第八NMOS管MN8的漏极并连接所述带隙基准电压Vref，其漏极连接第九NMOS管MN9的漏极并作为所述系统斩波模块的第一输出端连接所述第一压频转换电路的输入端；
第十NMOS管MN10的栅极连接所述第二时钟信号clock，其漏极连接第九NMOS管MN9的源极并连接所述正温度系数电压Vptat，其源极连接第八NMOS管MN8的源极并作为所述系统斩波模块的第二输出端连接所述第二压频转换电路的输入端；
第八NMOS管MN8和第九NMOS管MN9的栅极连接所述第二时钟信号的反相信号clock_n；
所述压频转换模块和所述第一或门以及第二或门之间还包括数据选择模块，所述数据选择模块包括第一数据选择器和第二数据选择器，
所述第一数据选择器的第一输入端连接第一压频转换电路的输出端，其第二输入端连接第二压频转换电路的输出端，其时钟端连接所述第二时钟信号clock，其输出端连接所述第一或门的第一输入端；
所述第二数据选择器的第一输入端连接第一压频转换电路的输出端，其第二输入端连接第二压频转换电路的输出端，其时钟端连接所述第二时钟信号的反相信号clock_n，其输出端连接所述第二或门的第一输入端。
具体的，所述第二时钟信号clock为所述第二计数器的输出端中的其中一位输出。
本发明的有益效果为：本发明提出的温度传感器结构简单，可以做到低功耗；同时提出多种校准方法，减小温度传感器的测温误差；且通过调节计数器的位数可以调节温度的精度，实现任意精度的温度；第一时钟信号f1和第二时钟信号clock可以由第二计数器提供，具有频率范围广、时钟频率可调等优点。
附图说明
图1为本发明提供的一种内建时钟的温度传感器电路的整体结构示意图。
图2为本发明提供的一种内建时钟的温度传感器电路中的带隙基准模块的结构示意图。
图3为实施例中的斩波运算放大器的内部电路示意图。
图4为实施例中的系统斩波模块的电路结构示意图。
图5为实施例中压频转换模块的结构示意图。
图6为实施例中12位的计数器的内部结构示意图。
图7为温度分辨率调节示意表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，详细描述本发明的技术方案
本发明提供的一种内建时钟的温度传感器电路包括带隙基准模块、压频转换模块、计数器模块、第一或门、第二或门、第一反相器和D触发器，带隙基准模块用于产生带隙基准电压Vref和正温度系数电压Vptat，压频转换模块包括具有相同结构的第一压频转换电路和第二压频转换电路，第一压频转换电路的输入端连接带隙基准电压Vref，其输出端连接第一或门的第一输入端；第二压频转换电路的输入端连接正温度系数电压Vptat，其输出端连接第二或门的第一输入端；计数器模块包括第一计数器和第二计数器，第一计数器的输入端连接第一或门的输出端，其输出端作为温度传感器电路的输出端；第二计数器的输入端连接第二或门的输出端，其最大位输出通过第一反相器后连接D触发器的数据输入端；第一时钟信号f1 为第二计数器的输出端中的其中一位输出；第一计数器、第二计数器和D触发器的置位端连接外部使能信号ENA；D触发器的Q输出端输出反馈信号FB连接第一或门和第二或门的第二输入端。第一计数器和第二计数器的位数相同，可由相应位数的个数的D触发器串联组成。
本发明首先利用带隙基准模块产生一个带隙基准电压Vref和一个正温度系数电压Vptat，然后用两个相同的压频转换电路分别将正温度系数电压Vptat与带隙基准电压Vref转化为正温度系数电压频率CVptat和带隙基准电压频率CVref，最后通过两个计数器计数来得出正温度系数电压Vptat与带隙基准电压Vref比值，从而获得温度值大小，所设计的温度传感器结构简单，可以做到低功耗。且温度的精度可以通过调节计数器的位数而调节，可以实现任意精度的温度。第二计数器可以产生第一时钟信号f1用于带隙基准模块和压频转换模块，产生第二时钟信号clock用于系统斩波模块和数据选择模块，具有频率范围广、时钟频率可调等优点。
本发明基于温度传感器的测温误差，在实施例中提出多种校准方法，包括带隙基准模块内采用斩波运放消除失调误差对测温误差带来的影响，以及电阻补偿技术、系统斩波(Chopper) 技术、基准电流修调技术等。
如图2所示是带隙基准模块的内部电路示意图，包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一NMOS管MN1、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS 管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13、第十四PMOS管 MP14、第十五PMOS管MP15、第十六PMOS管MP16、第十七PMOS管MP17、第十八PMOS 管MP18、第十九PMOS管MP19、第二十PMOS管MP20、第二十一PMOS管MP21、第二十二PMOS管MP22、第二十三PMOS管MP23、第二十四PMOS管MP24、第二十五PMOS 管MP25、第二十六PMOS管MP26、第二十七PMOS管MP27、第二十八PMOS管MP28、第二十九PMOS管MP29和第三十PMOS管MP30，第一运算放大器A1的正向输入端连接第一三极管Q1的发射极和第一PMOS管MP1的漏极，其负向输入端连接第二PMOS管MP2 的漏极并通过第一电阻R1后连接第二三极管Q2的发射极，其输出端连接第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6和第八PMOS管MP8的栅极；第一PMOS管MP1 的栅极连接第二PMOS管MP2、第五PMOS管MP5和第七PMOS管MP7的栅极并连接偏置电压VBP，其源极连接第三PMOS管MP3的漏极；第四PMOS管MP4的漏极连接第二 PMOS管MP2的源极，其源极连接第三PMOS管MP3、第六PMOS管MP6和第八PMOS 管MP8的源极并连接电源电压；第五PMOS管MP5的源极连接第六PMOS管MP6的漏极，其漏极连接第二电阻R2的一端和第二运算放大器A2的正向输入端并输出基准电压Vref；第三三极管Q3的发射极连接第二电阻R2的另一端，其基极和集电极连接第一三极管Q1的基极和集电极以及第二三极管Q2的基极和集电极并接地；第七PMOS管MP7的源极连接第八 PMOS管MP8的漏极，其漏极输出正温度系数电压Vptat并通过第三电阻R3后接地；第十八PMOS管MP18的栅极连接第一修调控制信号v10，其源极连接第十九PMOS管MP19的漏极，其漏极连接第九PMOS管MP9、第十二PMOS管MP12、第十五PMOS管MP15和第二十一PMOS管MP21的漏极以及第十一PMOS管MP11、第十四PMOS管MP14、第十七 PMOS管MP17、第二十PMOS管MP20、第二十二PMOS管MP22、第二十四PMOS管MP24、第二十六PMOS管MP26、第二十八PMOS管MP28和第三十PMOS管MP30的栅极并连接第五电阻R5的一端；第十五PMOS管MP15的栅极连接第二修调控制信号v20，其源极连接第十六PMOS管MP16的漏极；第十二PMOS管MP12的栅极连接第三修调控制信号v30，其源极连接第十三PMOS管MP13的漏极；第九PMOS管MP9的栅极连接第四修调控制信号v40，其源极连接第十PMOS管MP10的漏极；第十一PMOS管MP11的源极连接第十四PMOS管MP14、第十七PMOS管MP17、第二十PMOS管MP20、第二十二PMOS管MP22、第二十四PMOS管MP24、第二十六PMOS管MP26、第二十八PMOS管MP28和第三十PMOS 管MP30的源极并连接电源电压，其漏极连接第十PMOS管MP10的源极；第十三PMOS管 MP13的栅极连接第十PMOS管MP10、第十六PMOS管MP16、第十九PMOS管MP19、第二十一PMOS管MP21、第二十三PMOS管MP23、第二十五PMOS管MP25、第二十七PMOS 管MP27和第二十九PMOS管MP29的栅极以及第五电阻R5的另一端和第一NMOS管MN1 的漏极，其源极连接第十四PMOS管MP14的漏极；第十六PMOS管MP16的源极连接第十七PMOS管MP17的漏极，第十九PMOS管MP19的源极连接第二十PMOS管MP20的漏极；第二运算放大器A2的负向输入端连接第一NMOS管MN1的源极并通过第四电阻R4后接地，其输出端连接第一NMOS管MN1的栅极；第二十一PMOS管MP21的源极连接第二十二 PMOS管MP22的漏极；第二十三PMOS管MP23的源极连接第二十四PMOS管MP24的漏极，其漏极输出第一基准电流Iref1；第二十五PMOS管MP25的源极连接第二十六PMOS 管MP26的漏极，其漏极输出第二基准电流Iref2；第二十七PMOS管MP27的源极连接第二十八PMOS管MP28的漏极，其漏极输出第三基准电流Iref3；第二十九PMOS管MP29的源极连接第三十PMOS管MP30的漏极，其漏极输出第四基准电流Iref4。
本发明提供的带隙基准模块采用Brokaw结构，具有电路一致性好、低温度漂移、能够抑制电路中非理性因素对于电路输出的影响等特点。其中第九PMOS管MP9、第十PMOS 管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13、第十四 PMOS管MP14、第十五PMOS管MP15、第十六PMOS管MP16、第十七PMOS管MP17、第十八PMOS管MP18、第十九PMOS管MP19、第二十PMOS管MP20构成基准电流修调模块，第一修调控制信号v10、第二修调控制信号v20、第三修调控制信号v30和第四修调控制信号v40可以由外部给定，也可以由修调开关模块产生，修调开关模块的输入信号v_trim0、 v_trim1、v_trim2和v_trim3由外部给定。
其中第一运算放大器A1和第二运算放大器A2可以为折叠共源共栅运算放大器、斩波运算放大器或其它一种。如图3所示是斩波运算放大器的结构示意图，其斩波时钟为第一时钟信号f1，包括第五斩波开关S5、第六斩波开关S6、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第三十一PMOS管MP31、第三十二PMOS管MP32、第八电阻R8、第三电容C3、第一电流源I1和第二电流源I2，第一运算放大器A1的正向输入信号通过第五斩波开关S5后连接第三十二PMOS管MP32的栅极，其负向输入信号通过第五斩波开关S5 后连接第三十一PMOS管MP31的栅极；第三十一PMOS管MP31的源极连接第三十二PMOS 管MP32的源极并连接第一电流源I1的正向端，其漏极连接第四NMOS管MN4的漏极并通过第六斩波开关S6后连接第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5的栅极；第一电流源I1 的负向端连接电源电压；第三十二PMOS管MP32的漏极连接第五NMOS管MN5的漏极并通过第六斩波开关S6后连接第六NMOS管MN6的栅极和第八电阻R8的一端；第三电容C3 的一端连接第八电阻R8的另一端，其另一端连接第六NMOS管MN6的漏极和第二电流源 I2的正向端并作为第一运算放大器A1的输出端；第二电流源I2的负向端连接电源电压；第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源极接地，第五斩波开关 S5和第六斩波开关S6的斩波时钟为第一时钟信号f1。本实施例中第一运算放大器A1采用斩波运算放大器，可以消除运放失调和噪声。
如图5所示是实施例中第一压频转换电路和第二压频转换电路的结构示意图，第一压频转换电路和第二压频转换电路具有相同的电路结构，以第一压频转换电路为例，第一压频转换电路包括第一比较器、第二比较器、SR锁存器、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一电容C1、第二电容C2、第六电阻R6、第七电阻R7、第一斩波开关S1、第二斩波开关 S2、第三斩波开关S3和第四斩波开关S4，第一压频转换电路的输入端一方面通过第一斩波开关S1后连接第一比较器的负向输入端，另一方面通过第四斩波开关S4后连接第二比较器的负向输入端；第二NMOS管MN2的漏极作为第一压频转换电路的第一基准输入端一方面通过第一电容C1后接地，另一方面通过第一斩波开关S1后连接第一比较器的正向输入端，其源极通过第六电阻R6后接地，其栅极连接SR锁存器的Q输出端并作为第一压频转换电路的输出端；第三NMOS管MN3的漏极作为第一压频转换电路的第二基准输入端一方面通过第二电容C2后接地，另一方面通过第四斩波开关S4后连接第二比较器的正向输入端，其源极通过第七电阻R7后接地，其栅极连接SR锁存器的Q非输出端；第一比较器的输出端通过第二斩波开关S2后连接SR锁存器的S输入端，第二比较器的输出端通过第三斩波开关S3 后连接SR锁存器的R输入端；第一斩波开关S1、第二斩波开关S2、第三斩波开关S3和第四斩波开关S4的斩波时钟为第一时钟信号f1；第一压频转换电路的第一基准输入端连接第一基准电流Iref1，其第二基准输入端连接第二基准电流Iref2；第二压频转换电路的第一基准输入端连接第三基准电流Iref3，其第二基准输入端连接第四基准电流Iref4。其中第一基准电流 Iref1、第二基准电流Iref2、第三基准电流Iref3和第四基准电流Iref4由带隙基准模块产生，带隙基准电压Vref通过第二运算放大器从第一NMOS管的漏极输出基准电流，基准电流通过镜像产生第一基准电流Iref1、第二基准电流Iref2、第三基准电流Iref3和第四基准电流Iref4。
一些实施例中还设置了系统斩波模块和数据选择模块，用于减小比较器失调电压对温度检测的误差。系统斩波模块设置在带隙基准模块和压频转换模块之间，如图4是实施例中给出的一种系统斩波模块的结构示意图，包括第二反相器、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9和第十NMOS管MN10，第二反相器的输入端连接第二时钟信号clock，其输出端输出第二时钟信号的反相信号clock_n；第七NMOS管MN7的栅极连接第二时钟信号clock，其源极连接第八NMOS管MN8的漏极并连接基准电压Vref，其漏极连接第九NMOS管MN9的漏极并作为系统斩波模块的第一输出端Vo1连接第一压频转换电路的输入端；第十NMOS管MN10的栅极连接第二时钟信号clock，其漏极连接第九NMOS管 MN9的源极并连接正温度系数电压Vptat，其源极连接第八NMOS管MN8的源极并作为系统斩波模块的第二输出端Vo2连接第二压频转换电路的输入端；第八NMOS管MN8和第九 NMOS管MN9的栅极连接第二时钟信号的反相信号clock_n。第二时钟信号clock和第二时钟信号的反相信号clock_n用于控制正温度系数电压Vptat和带隙基准电压Vref在系统斩波模块的第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间交换。其中第二时钟信号clock也可以为第二计数器的输出端中的其中一位输出。
数据选择模块设置在压频转换模块和计数器模块之间，压频转换模块输出的信号通过数据选择模块后再输入第一或门和第二或门的第一输入端，第一数据选择器的第一输入端连接第一压频转换电路的输出端，其第二输入端连接第二压频转换电路的输出端，其时钟端连接第二时钟信号clock，其输出端连接第一或门的第一输入端；第二数据选择器的第一输入端连接第一压频转换电路的输出端，其第二输入端连接第二压频转换电路的输出端，其时钟端连接第二时钟信号的反相信号clock_n，其输出端连接第二或门的第一输入端。
当第二时钟信号clock＝1时，系统斩波模块的两个输出端将两个输入端的信号对应输出，数据选择模块输出其第一输入端的信号，即系统斩波模块的第一输出端Vo1输出的信号经过第一压频转换电路后输出的频率信号CV1是带隙基准电压的频率信号CVref，第一数据选择器输出的信号CVout1是带隙基准电压的频率信号CVref；系统斩波模块的第二输出端Vo2输出的信号经过第二压频转换电路后输出的频率信号CV2是正温度系数电压的频率信号CVptat，第二数据选择器输出的信号CVout2是正温度系数电压的频率信号CVptat。
当第二时钟信号clock＝0时，系统斩波模块的两个输出端将两个输入端的信号交换输出，数据选择模块输出其第二输入端的信号，即系统斩波模块的第一输出端Vo1输出的信号经过第一压频转换电路后输出的频率信号CV1是正温度系数电压的频率信号CVptat，第一数据选择器输出的信号CVout1是带隙基准电压的频率信号CVref；系统斩波模块的第二输出端Vo2 输出的信号经过第二压频转换电路后输出的频率信号CV2是带隙基准电压的频率信号CVref，第二数据选择器输出的信号CVout2是正温度系数电压的频率信号CVptat。
一些实施例中，基准电流修调模块中PMOS管可以为LDMOS、VDMOS和IGBT中的一种；第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5 可以为LDMOS、VDMOS和IGBT中的一种；第六电阻R6和第七电阻R7可以替换为NMOS、 PMOS、LDMOS、VDMOS和IGBT中的一种。
第一计数器和第二计数器为位数相同的计数器，可以采用相同的内部结构，如图6所示是实施例中给出的一种12位的计数器的电路结构示意图，包括12个串联的D触发器，为上升沿触发方式；其中CP为输入信号，第一计数器的输入信号CP为第一或门的输出信号，第二计数器的输入信号CP为第二或门的输出信号；RN为置位端连接外部使能信号ENA，对计数器进行清零；Q0-Q11为数字输出信号，分别由各个D触发器的Q输出端输出；输入信号CP接第一个D触发器的时钟端CK，第二至第十二个的D触发器的时钟端CK接前一个D 触发器的Q非输出端，每一个D触发器的数据输入端D和Q非输出端都连接在一起。
第一计数器的输出信号Q0-Q11为温度传感器电路的输出信号，第二计数器的最高位输出信号Q11连接第一反相器的输入端，第一时钟信号f1和第二时钟信号clock可以是第二计数器的任意一位输出信号；且第一时钟信号f1和第二时钟信号clock可以是同一位第二计数器的输出信号，如都为第二计数器的输出信号Q4；第一时钟信号f1和第二时钟信号clock也可以是不同位的第二计数器的输出信号，如第一时钟信号f1为第二计数器的输出信号Q4，第二时钟信号clock为第二计数器的输出信号Q6。
如图7所示，为温度分辨率调节示意表，温度的分辨率可以通过调节计数器的位数而调节，可以实现任意分辨率的温度，其中K为第一计数器的输出，例如，当计数器模块为12bit 时，温度分辨率可以达到0.16°。
下面以计数器模块采用12位的计数器为例说明本发明的工作原理：利用带隙基准模块产生与温度有关的正温度系数电压Vptat与带隙基准电压Vref，再通过压频转换模块将正温度系数电压Vptat与带隙基准电压Vref转化为正温度系数电压频率CVptat与带隙基准电压频率 CVref，通过12位计数器对频率进行计数，当第二计数器计满之后通过反馈信号FB就让第一计数器停止计数，那么两式相除可得其中K 为第一计数器的输出，4096＝212为第二计数器计满之后的数值，复位信号为外部使能信号 ENA。通过测得K就可以测试出温度，正温度系数电压Vptat采用与温度有关的一次近似表达式Vptat＝kT/q，其中k/q为常数，N为带隙基准中第一三极管Q1和第二三极管Q2的比值，得到最终温度表达式为T＝Aμ+B，其中A，B分别为两个常数，本实施例中一组测温数据的迭代值A≈669,0开式度B≈-273.15，这样直接将温度转化为摄氏度输出，即
综上，本发明设计了一种高精度的温度传感器电路，包括开带隙基准模块、压频转换模块、数据选择模块、计数器模块、系统Chopper模块、修调开关模块。通过两个相同的压频转换电路分别将Vptat电压与带隙基准电压Vref转化为频率，最后通过两个计数器计数来得出Vptat电压与带隙基准电压Vref比值，从而获得温度值大小，所设计的温度传感器结构简单，可以做到低功耗，基于温度传感器的测温误差，提出多种校准方法，包括带隙基准内运用斩波运放消除失调误差对测温误差带来的影响、电阻补偿技术、系统斩波Chopper技术、基准电流修调技术；利用第二计数器产生内部需要的时钟信号，具有频率范围广、时钟频率可调等优点。
可以理解的是，本发明不限于上文示出的精确配置和组件。在不脱离权利要求书的保护范围基础上，可以对上文所述方法和结构的步骤顺序、细节及操作做出各种修改和优化。
Claims (6)
1.一种内建时钟的温度传感器电路，其特征在于，包括带隙基准模块、压频转换模块、计数器模块、第一或门、第二或门、第一反相器和D触发器，
所述带隙基准模块用于产生带隙基准电压(Vref)和正温度系数电压(Vptat)，包括第一运算放大器(A1)、第二运算放大器(A2)、第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第三三极管(Q3)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一NMOS管(MN1)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)、第八PMOS管(MP8)、第九PMOS管(MP9)、第十PMOS管(MP10)、第十一PMOS管(MP11)、第十二PMOS管(MP12)、第十三PMOS管(MP13)、第十四PMOS管(MP14)、第十五PMOS管(MP15)、第十六PMOS管(MP16)、第十七PMOS管(MP17)、第十八PMOS管(MP18)、第十九PMOS管(MP19)、第二十PMOS管(MP20)、第二十一PMOS管(MP21)、第二十二PMOS管(MP22)、第二十三PMOS管(MP23)、第二十四PMOS管(MP24)、第二十五PMOS管(MP25)、第二十六PMOS管(MP26)、第二十七PMOS管(MP27)、第二十八PMOS管(MP28)、第二十九PMOS管(MP29)和第三十PMOS管(MP30)，
第一运算放大器(A1)的正向输入端连接第一三极管(Q1)的发射极和第一PMOS管(MP1)的漏极，其负向输入端连接第二PMOS管(MP2)的漏极并通过第一电阻(R1)后连接第二三极管(Q2)的发射极，其输出端连接第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第六PMOS管(MP6)和第八PMOS管(MP8)的栅极；
第一PMOS管(MP1)的栅极连接第二PMOS管(MP2)、第五PMOS管(MP5)和第七PMOS管(MP7)的栅极并连接偏置电压(VBP)，其源极连接第三PMOS管(MP3)的漏极；
第四PMOS管(MP4)的漏极连接第二PMOS管(MP2)的源极，其源极连接第三PMOS管(MP3)、第六PMOS管(MP6)和第八PMOS管(MP8)的源极并连接电源电压；
第五PMOS管(MP5)的源极连接第六PMOS管(MP6)的漏极，其漏极连接第二电阻(R2)的一端和第二运算放大器(A2)的正向输入端并输出所述带隙基准电压(Vref)；
第三三极管(Q3)的发射极连接第二电阻(R2)的另一端，其基极和集电极连接第一三极管(Q1)的基极和集电极以及第二三极管(Q2)的基极和集电极并接地；
第七PMOS管(MP7)的源极连接第八PMOS管(MP8)的漏极，其漏极输出所述正温度系数电压(Vptat)并通过第三电阻(R3)后接地；
第十八PMOS管(MP18)的栅极连接第一修调控制信号(v10)，其源极连接第十九PMOS管(MP19)的漏极，其漏极连接第九PMOS管(MP9)、第十二PMOS管(MP12)、第十五PMOS管(MP15)和第二十一PMOS管(MP21)的漏极以及第十一PMOS管(MP11)、第十四PMOS管(MP14)、第十七PMOS管(MP17)、第二十PMOS管(MP20)、第二十二PMOS管(MP22)、第二十四PMOS管(MP24)、第二十六PMOS管(MP26)、第二十八PMOS管(MP28)和第三十PMOS管(MP30)的栅极并连接第五电阻(R5)的一端；
第十五PMOS管(MP15)的栅极连接第二修调控制信号(v20)，其源极连接第十六PMOS管(MP16)的漏极；第十二PMOS管(MP12)的栅极连接第三修调控制信号(v30)，其源极连接第十三PMOS管(MP13)的漏极；第九PMOS管(MP9)的栅极连接第四修调控制信号(v40)，其源极连接第十PMOS管(MP10)的漏极；
第十一PMOS管(MP11)的源极连接第十四PMOS管(MP14)、第十七PMOS管(MP17)、第二十PMOS管(MP20)、第二十二PMOS管(MP22)、第二十四PMOS管(MP24)、第二十六PMOS管(MP26)、第二十八PMOS管(MP28)和第三十PMOS管(MP30)的源极并连接电源电压，其漏极连接第十PMOS管(MP10)的源极；
第十三PMOS管(MP13)的栅极连接第十PMOS管(MP10)、第十六PMOS管(MP16)、第十九PMOS管(MP19)、第二十一PMOS管(MP21)、第二十三PMOS管(MP23)、第二十五PMOS管(MP25)、第二十七PMOS管(MP27)和第二十九PMOS管(MP29)的栅极以及第五电阻(R5)的另一端和第一NMOS管(MN1)的漏极，其源极连接第十四PMOS管(MP14)的漏极；
第十六PMOS管(MP16)的源极连接第十七PMOS管(MP17)的漏极，第十九PMOS管(MP19)的源极连接第二十PMOS管(MP20)的漏极；
第二运算放大器(A2)的负向输入端连接第一NMOS管(MN1)的源极并通过第四电阻(R4)后接地，其输出端连接第一NMOS管(MN1)的栅极；
第二十一PMOS管(MP21)的源极连接第二十二PMOS管(MP22)的漏极；
第二十三PMOS管(MP23)的源极连接第二十四PMOS管(MP24)的漏极，其漏极输出第一基准电流(Iref1)；
第二十五PMOS管(MP25)的源极连接第二十六PMOS管(MP26)的漏极，其漏极输出第二基准电流(Iref2)；
第二十七PMOS管(MP27)的源极连接第二十八PMOS管(MP28)的漏极，其漏极输出第三基准电流(Iref3)；
第二十九PMOS管(MP29)的源极连接第三十PMOS管(MP30)的漏极，其漏极输出第四基准电流(Iref4)；
所述第一运算放大器(A1)为斩波运算结构，其斩波时钟为第一时钟信号(f1)；
所述压频转换模块包括具有相同结构的第一压频转换电路和第二压频转换电路，所述第一压频转换电路的输入端连接所述带隙基准电压(Vref)，其输出端连接第一或门的第一输入端；所述第二压频转换电路的输入端连接所述正温度系数电压(Vptat)，其输出端连接第二或门的第一输入端；
所述计数器模块包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器的输入端连接所述第一或门的输出端，其输出端作为所述温度传感器电路的输出端；所述第二计数器的输入端连接所述第二或门的输出端，其最大位输出通过第一反相器后连接所述D触发器的数据输入端；所述第一时钟信号(f1)为所述第二计数器的输出端中的其中一位输出；所述第一计数器、第二计数器和D触发器的置位端连接外部使能信号(ENA)；所述D触发器的Q输出端输出反馈信号(FB)连接所述第一或门和第二或门的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的内建时钟的温度传感器电路，其特征在于，所述第一压频转换电路包括第一比较器、第二比较器、SR锁存器、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第一斩波开关(S1)、第二斩波开关(S2)、第三斩波开关(S3)和第四斩波开关(S4)，
所述第一压频转换电路的输入端一方面通过第一斩波开关(S1)后连接第一比较器的负向输入端，另一方面通过第四斩波开关(S4)后连接第二比较器的负向输入端；
第二NMOS管(MN2)的漏极作为所述第一压频转换电路的第一基准输入端一方面通过第一电容(C1)后接地，另一方面通过第一斩波开关(S1)后连接第一比较器的正向输入端，其源极通过第六电阻(R6)后接地，其栅极连接SR锁存器的Q输出端并作为所述第一压频转换电路的输出端；
第三NMOS管(MN3)的漏极作为所述第一压频转换电路的第二基准输入端一方面通过第二电容(C2)后接地，另一方面通过第四斩波开关(S4)后连接第二比较器的正向输入端，其源极通过第七电阻(R7)后接地，其栅极连接SR锁存器的Q非输出端；
第一比较器的输出端通过第二斩波开关(S2)后连接SR锁存器的S输入端，第二比较器的输出端通过第三斩波开关(S3)后连接SR锁存器的R输入端；第一斩波开关(S1)、第二斩波开关(S2)、第三斩波开关(S3)和第四斩波开关(S4)的斩波时钟为所述第一时钟信号(f1)；
所述第二压频转换电路与第一压频转换电路具有相同的结构，所述第一压频转换电路的第一基准输入端连接所述第一基准电流(Iref1)，其第二基准输入端连接所述第二基准电流(Iref2)；所述第二压频转换电路的第一基准输入端连接所述第三基准电流(Iref3)，其第二基准输入端连接所述第四基准电流(Iref4)。
3.根据权利要求1所述的内建时钟的温度传感器电路，其特征在于，所述第一运算放大器(A1)包括第五斩波开关(S5)、第六斩波开关(S6)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)、第六NMOS管(MN6)、第三十一PMOS管(MP31)、第三十二PMOS管(MP32)、第八电阻(R8)、第三电容(C3)、第一电流源(I1)和第二电流源(I2)，
所述第一运算放大器(A1)的正向输入信号通过第五斩波开关(S5)后连接第三十二PMOS管(MP32)的栅极，其负向输入信号通过第五斩波开关(S5)后连接第三十一PMOS管(MP31)的栅极；
第三十一PMOS管(MP31)的源极连接第三十二PMOS管(MP32)的源极并连接第一电流源(I1)的正向端，其漏极连接第四NMOS管(MN4)的漏极并通过第六斩波开关(S6)后连接第四NMOS管(MN4)和第五NMOS管(MN5)的栅极；第一电流源(I1)的负向端连接电源电压；
第三十二PMOS管(MP32)的漏极连接第五NMOS管(MN5)的漏极并通过第六斩波开关(S6)后连接第六NMOS管(MN6)的栅极和第八电阻(R8)的一端；
第三电容(C3)的一端连接第八电阻(R8)的另一端，其另一端连接第六NMOS管(MN6)的漏极和第二电流源(I2)的正向端并作为所述第一运算放大器(A1)的输出端；第二电流源(I2)的负向端连接电源电压；
第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)和第六NMOS管(MN6)的源极接地，第五斩波开关(S5)和第六斩波开关(S6)的斩波时钟为所述第一时钟信号(f1)。
4.根据权利要求1所述的内建时钟的温度传感器电路，其特征在于，所述温度传感器电路还包括修调开关模块，用于产生所述第一修调控制信号(v10)、第二修调控制信号(v20)、第三修调控制信号(v30)和第四修调控制信号(v40)，其输入信号由外部给定。
5.根据权利要求1所述的内建时钟的温度传感器电路，其特征在于，所述带隙基准模块和所述压频转换模块之间还包括系统斩波模块，所述系统斩波模块包括第二反相器、第七NMOS管(MN7)、第八NMOS管(MN8)、第九NMOS管(MN9)和第十NMOS管(MN10)，
第二反相器的输入端连接第二时钟信号(clock)，其输出端输出第二时钟信号的反相信号(clock_n)；
第七NMOS管(MN7)的栅极连接所述第二时钟信号(clock)，其源极连接第八NMOS管(MN8)的漏极并连接所述带隙基准电压(Vref)，其漏极连接第九NMOS管(MN9)的漏极并作为所述系统斩波模块的第一输出端连接所述第一压频转换电路的输入端；
第十NMOS管(MN10)的栅极连接所述第二时钟信号(clock)，其漏极连接第九NMOS管(MN9)的源极并连接所述正温度系数电压(Vptat)，其源极连接第八NMOS管(MN8)的源极并作为所述系统斩波模块的第二输出端连接所述第二压频转换电路的输入端；
第八NMOS管(MN8)和第九NMOS管(MN9)的栅极连接所述第二时钟信号的反相信号(clock_n)；
所述压频转换模块和所述第一或门以及第二或门之间还包括数据选择模块，所述数据选择模块包括第一数据选择器和第二数据选择器，
所述第一数据选择器的第一输入端连接第一压频转换电路的输出端，其第二输入端连接第二压频转换电路的输出端，其时钟端连接所述第二时钟信号(clock)，其输出端连接所述第一或门的第一输入端；
所述第二数据选择器的第一输入端连接第一压频转换电路的输出端，其第二输入端连接第二压频转换电路的输出端，其时钟端连接所述第二时钟信号的反相信号(clock_n)，其输出端连接所述第二或门的第一输入端。
6.根据权利要求5所述的内建时钟的温度传感器电路，其特征在于，所述第二时钟信号(clock)为所述第二计数器的输出端中的其中一位输出。
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