CN109470376A - Cmos温度传感器及温度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CMOS温度传感器及温度检测方法，包括：信号采集模块，用于产生偏置电流、与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；模数转换模块，基于所述偏置电流、所述与温度有关的第一电压及所述与温度有关的第二电压将采集到的温度信息转化为数字信号输出。复用信号采集模块获得偏置电流及与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；基于所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压建立温度信息的补偿分式，分母和分子均为ΔV_BE与V_BE的线性组合，利用分母的非线性补偿分子的非线性，获得温度信息的数字信号。本发明适用于CMOS片上系统，可实现高精度温度测量，具有电路体积小、稳定性高、对器件要求低、成本低等优点。

Description

CMOS温度传感器及温度检测方法

技术领域

本发明涉及CMOS片上温度检测领域，特别是涉及一种CMOS温度传感器及温度检测方法。

背景技术

温度是一个基本的物理现象，它是生产过程中应用最普通、最重要的工艺参数，无论是工农业生产，还是科学研究和国防现代化，都离不开温度测量，因此，在各种传感器中，温度传感器是应用最广泛的一种。集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是在PN结温度传感器的基础上发展起来的，具有体积小，稳定性高和价格低廉等特点。

目前，CMOS集成温度传感器的主要实现方式包括：基于MOS管的温度传感器以及基于CMOS工艺下的寄生双极型三极管(BJT)的CMOSBJT温度传感器。

常见的基于MOS管的温度特性实现温度传感器的方法有两种：1)利用处于亚阈值状态的MOS管的漏源电流具有与绝对温度成正比(PTAT)的特性来实现温度传感；由于MOS管在高温情况下，其自身的泄漏电流非常明显，使得高温下处于亚阈值状态下的MOS管的漏源电流所具有的PTAT特性受到严重影响，因此利用MOS管的亚阈值电流的PTAT特性的这种方法来实现的温度传感器的测温范围不能太宽，否则会严重影响其测温精度。2)利用强反型状态下MOS管中的载流子迁移率以及阈值电压依赖于温度这样的温度特性来实现温度传感器；这种方法的优点是温度精度很好，主要缺点在于受工艺波动的影响较大，在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作。

CMOS BJT温度传感器是利用CMOS工艺下的寄生双极型三极管产生正比于温度的电压特性来实现温度的检测，相比于MOS温度传感器，该结构线性度较好且工艺稳定。对高精度的温度传感器而言，希望温度传感器的温度敏感度是使用电阻比值、电流镜比值、或其他方法。现有技术中的一种方法，采用正温度系数的电流Iptat和负温度系数的电流Ibe来进行组合积分并进行转换输出高精度的温度信号；该方法需要高精度的电流镜比值，和较大的积分电容值来保证精度，高精度电流镜和大电容导致面积大，电流积分带来功耗的增加。现有技术中的另一种方法，直接利用VBE来进行转换，降低了对电流镜匹配的要求；但精度必须建立在良好的BJT特性上，不兼容主流CMOS工艺，尤其当工艺线宽越来越小，BJT特性退化严重；且需要额外偏置电流产生电路结构。

因此，如何简化电路结构、减小电路面积、兼容CMOS工艺、提高检测精度已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种CMOS温度传感器及温度检测方法，用于解决现有技术中温度传感器的电路结构复杂、电路面积大、不兼容CMOS工艺、检测精度低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种CMOS温度传感器，所述CMOS温度传感器至少包括：

信号采集模块，用于产生偏置电流、与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；

模数转换模块，基于所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压建立温度信息的补偿分式，分母和分子均为ΔV_BE与V_BE的线性组合，利用分母的非线性补偿分子的非线性，获得温度信息的数字信号；其中，ΔV_BE为所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压的差值，V_BE为所述与温度有关的第一电压或所述与温度有关的第二电压。

可选地，所述CMOS温度传感器还包括设置于所述信号采集模块及所述模数转换模块之间的电流镜，用于为所述模数转换模块提供所述偏置电流。

可选地，所述信号采集模块包括第一三极管、第二三极管、电阻、第一PMOS管、第二PMOS管及第一放大器；

所述第一三极管的发射极及集电极分别连接所述第一PMOS管的漏极及参考地，所述第一三极管的基极连接所述第一三极管的集电极；

所述第二三极管的发射极及集电极分别连接所述电阻的第一端及所述参考地，所述第一三极管的基极连接所述第一三极管的集电极；

所述电阻的第二端连接所述第二PMOS管的漏极；

所述第一PMOS管的源极与所述第二PMOS管的源极相连，所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极相连；

所述第一放大器的输入端分别连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的漏极，输出端连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的栅极；

其中，所述第一PMOS管的漏端输出所述与温度有关的第一电压，所述电阻的第一端输出所述与温度有关的第二电压。

更可选地，所述第一三极管及所述第二三极管为NPN型三极管；所述第一三极管的发射极连接所述参考地，集电极及基极连接所述第一PMOS管的漏极；所述第二三极管的发射极连接所述参考地，集电极及基极连接所述电阻的第一端。

更可选地，所述第一三极管及所述第二三极管为PNP型三极管；所述第一三极管的发射极连接所述第一PMOS管的漏极，集电极及基极连接所述参考地；所述第二三极管的发射极连接所述电阻的第一端，集电极及基极连接所述参考地。

可选地，所述模数转换模块为sigma-delta结构。

更可选地，所述模数转换模块包括采样单元、第一积分单元、比较器及计数器；

所述采样单元接于所述信号采集模块的输出端，分别对所述与温度有关的第一电压、所述与温度有关的第二电压、所述与温度有关的第一电压的反相电压及所述与温度有关的第二电压的反相电压进行设定比例的采样；

所述第一积分单元连接于所述采样单元的输出端，对所述采样单元的输出信号进行比例积分；

所述比较器的输入端分别连接所述第一积分单元的输出端及所述第一积分单元的正相输入端，并输出比较结果；

所述计数器连接于所述比较器的输出端，将所述比较器的输出信号转化为一组数字码。

更可选地，所述第一积分单元包括第一双采样电容、第一积分电容、第二放大器及多个开关；

所述第一双采样电容的第一极板连接所述采样单元的输出端，所述第一双采样电容的第二极板连接所述第二放大器的第一输入端；所述第二放大器的第一输入端作为所述第一积分单元的反相输入端；

所述第一双采样电容的第一极板经由第一开关连接至所述第一积分电容的第一极板，所述第一积分电容的第二极板连接所述第二放大器的输出端；所述第一双采样电容的第二极板与所述第一积分电容的第一极板之间经由第二开关连接；

所述第一双采样电容的第一极板经由第三开关连接至所述第二放大器的第二输入端，所述第二放大器的第二输入端还连接一参考电压；所述第二放大器的第二输入端作为所述第一积分单元的正相输入端；

其中，所述第二开关及所述第三开关受第一时钟的控制，所述第一开关受第二时钟的控制，所述第一时钟及所述第二时钟为非交叠时钟信号，所述比较器的时钟信号与所述第一时钟的反相信号同步。

更可选地，所述模数转换模块包括第一采样单元、第二采样单元、第二积分单元、比较器及计数器；

所述第一采样单元及所述第二采样单元均连接所述信号采集模块的输出端，对所述与温度有关的第一电压、所述与温度有关的第二电压、所述与温度有关的第一电压的反相电压及所述与温度有关的第二电压的反相电压进行设定比例的采样；

所述第二积分单元的输入端分别连接所述第一采样单元及所述第二采样单元的输出端，采用差分形式分别对所述与温度有关的第一电压、所述与温度有关的第二电压、所述与温度有关的第一电压的反相电压及所述与温度有关的第二电压的反相电压进行比例积分；

所述比较器的输入端分别连接所述第二积分单元的正相输出端及反相输出端，并输出比较结果；

所述计数器连接于所述比较器的输出端，将所述比较器的输出信号转化为一组数字码。

更可选地，所述第二积分单元包括第二双采样电容、第三双采样电容、第三放大器，第二积分电容、第三积分电容及多个开关；

所述第二双采样电容的第一极板连接所述第一采样单元的输出端，第二极板连接所述第三放大器的第一输入端；且所述第二双采样电容的第一极板及第二极板分别经由第四开关及第五开关连接至所述第二积分电容的第一极板，所述第二积分电容的第二极板连接所述第三放大器的第一输出端，所述第三放大器的第一输入端及第一输出端反相；

所述第三双采样电容的第一极板连接所述第二采样单元的输出端，第二极板连接所述第三放大器的第二输入端；且所述第三双采样电容的第一极板及第二极板分别经由第六开关及第七开关连接至所述第三积分电容的第一极板，所述第三积分电容的第二极板连接所述第三放大器的第二输出端，所述第三放大器的第二输入端及第二输出端反相；

其中，所述第五开关及所述第七开关受第一时钟的控制，所述第四开关及所述第六开关受第二时钟的控制，所述第一时钟及所述第二时钟为非交叠时钟信号，所述比较器的时钟信号与所述第一时钟的反相信号同步。

更可选地，各采样单元包括：多个支路采样开关、多个采样开关及多个采样电容；

第一采样开关的一端连接所述与温度有关的第一电压，另一端连接第一采样电容的第一极板；第二采样开关的一端连接参考地，另一端连接所述第一采样电容的第一极板；

第三采样开关的一端连接所述与温度有关的第二电压，另一端连接第二采样电容的第一极板；第四采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第二采样电容的第一极板；

第一支路采样开关的一端连接所述与温度有关的第一电压，另一端连接第五采样开关的第一端；第二支路采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第五采样开关的第一端；所述第五采样开关的第二端连接第三采样电容的第一极板；第六采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第三采样电容的第一极板；

第三支路采样开关的一端连接所述与温度有关的第二电压，另一端连接第七采样开关的第一端；第四支路采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第七采样开关的第一端；所述第七采样开关的第二端连接第四采样电容的第一极板；第八采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第四采样电容的第一极板；各采样电容的第二极板相连，作为各采样单元的输出端；

其中，各支路采样开关受所述比较器的输出信号控制，所述第一支路采样开关及所述第三支路采样开关在所述比较器的输出信号为第一电平时导通，所述第二支路采样开关及所述第四支路采样开关在所述比较器的输出信号为第二电平时导通；

所述第一采样开关、所述第四采样开关、所述第六采样开关及所述第七采样开关受第一时钟的控制，所述第二采样开关、所述第三采样开关、所述第五采样开关、所述第八采样开关及所述第九采样开关受第二时钟的控制，所述第一时钟及所述第二时钟为非交叠时钟信号。

更可选地，所述第二采样电容的容值大于所述第一采样电容的容值，所述第三采样电容的容值大于所述第四采样电容的容值。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种温度检测方法，所述温度检测方法至少包括：

复用信号采集模块获得偏置电流及与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；

基于所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压建立温度信息的补偿分式，分母和分子均为ΔV_BE与V_BE的线性组合，利用分母的非线性补偿分子的非线性，获得温度信息的数字信号；其中，ΔV_BE为所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压的差值，V_BE为所述与温度有关的第一电压或所述与温度有关的第二电压。

可选地，采用PNP型三极管产生与温度有关的电压。

可选地，采用sigma-delta结构的模数转换模块实现温度信息补偿分式的建立。

可选地，所述温度信息的补偿分式满足如下关系：

其中，T为温度；A、B为常数；C、D、E、F分别为一预设值。

更可选地，基于采样电容的容值设定各预设值，满足如下关系：

C1:C2:C3:C4＝E:(E+F):(C+D):C；

其中，C1为所述与温度有关的第一电压的反相电压的采样电容；C2为所述与温度有关的第二电压的采样电容；C3为所述与温度有关的第一电压的采样电容；C4为所述与温度有关的第二电压的反相电压的采样电容。

如上所述，本发明的CMOS温度传感器及温度检测方法，具有以下有益效果：

本发明的CMOS温度传感器及温度检测方法适用于CMOS片上系统，复用偏置电流产生电路中不同三极管发射极和基极之间的电压来产生随温度变化的信号，并合理利用不同与温度有关的电压之间的组合来对自身随温度变化的非线性进行补偿，达到高精度温度测量的目的；本发明具有精度高、电路体积小、稳定性高、对器件要求低、成本低等优点。

附图说明

图1显示为本发明的CMOS温度传感器的一种实现方式。

图2显示为本发明的CMOS温度传感器的另一种实现方式。

元件标号说明

1 CMOS温度传感器

11 信号采集模块

111 第一放大器

12 模数转换模块

121 采样单元

121a 第一采样单元

121b 第二采样单元

122 第一积分单元

1221 第二放大器

122’ 第二积分单元

1221’ 第三放大器

123 比较器

124 计数器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种CMOS温度传感器1，所述CMOS温度传感器1包括：

信号采集模块11及模数转换模块12。

如图1所示，所述信号采集模块11产生偏置电流、与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}及与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}。

具体地，所述信号采集模块11包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、电阻R、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2及第一放大器111。在本实施例中，所述第一三极管Q1及所述第二三极管Q2为PNP型三极管，以此与CMOS工艺兼容。所述第一三极管Q1的发射极连接所述第一PMOS管的漏极，集电极及基极连接所述参考地GND；所述第二三极管Q2的发射极连接所述电阻R的第一端，集电极及基极连接所述参考地GND；所述电阻R的第二端连接所述第二PMOS管P2的漏极；所述第一PMOS管P1的源极与所述第二PMOS管P2的源极相连，所述第一PMOS管P1的栅极与所述第二PMOS管的栅极P2相连；所述第一放大器111的输入端分别连接所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的漏极，输出端连接所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的栅极。

更具体地，所述第一三极管Q1及所述第二三极管Q2上分别产生一与温度有关的电压，记为与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}及与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}。所述第一放大器111基于“虚短”“虚断”的原理控制所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的栅极，使得所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的漏极电压相等，进而得到偏置电流，所述偏置电流满足：(V_{BE_HIGH}–V_{BE_LOW})/R。本发明复用偏置电流产生电路中不同三极管发射极和基极之间的电压来产生与温度有关的电压，可大大减小电路体积。

需要说明的是，在实际应用中也可以采用NPN型三极管代替PNP型三极管，但是NPN型三极管不能与CMOS工艺兼容，可根据实际需要设定三极管的类型。若所述第一三极管Q1及所述第二三极管Q2为NPN型三极管，则，所述第一三极管Q1的发射极连接所述参考地GND，集电极及基极连接所述第一PMOS管P1的漏极；所述第二三极管Q2的发射极连接所述参考地GND，集电极及基极连接所述电阻R的第一端。

如图1所示，所述模数转换模块12基于所述偏置电流、所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}及所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}将采集到的温度信息转化为数字信号输出。

具体地，在本实施例中，所述模数转换模块12为sigma-delta结构，任意能实现模数转换的模块均适用于本发明的模数转换模块12，不以本实施例为限。在本实施例中，所述模数转换模块12包括采样单元121、第一积分单元122、比较器123及计数器124。

更具体地，所述采样单元121连接于所述信号采集模块11的输出端，分别对所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}、所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}、所述与温度有关的第一电压的反相电压-V_{BE_HIGH}及所述与温度有关的第二电压的反相电压-V_{BE_LOW}进行设定比例的采样，采样的比例通过各采样电容进行设定。如图1所示，所述采样单元121包括第一～第四支路采样开关、第一～第八采样开关、第一～第四采样电容。第一采样开关K1的一端连接所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}，另一端连接第一采样电容C1的第一极板，第二采样开关K2的一端连接参考地GND，另一端连接所述第一采样电容C1的第一极板；第三采样开关K3的一端连接所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}，另一端连接第二采样电容C2的第一极板，第四采样开关K4的一端连接所述参考地GND，另一端连接所述第二采样电容C2的第一极板；第一支路采样开关SW1的一端连接所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}，另一端连接第五采样开关K5的第一端，第二支路采样开关SW2的一端连接所述参考地GND，另一端连接所述第五采样开关K5的第一端，所述第五采样开关K5的第二端连接第三采样电容C3的第一极板，第六采样开关K6的一端连接所述参考地GND，另一端连接所述第三采样电容C3的第一极板；第三支路采样开关SW3的一端连接所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}，另一端连接第七采样开关K7的第一端，第四支路采样开关SW4的一端连接所述参考地GND，另一端连接所述第七采样开关K7的第一端，所述第七采样开关K7的第二端连接第四采样电容C4的第一极板，第八采样开关K8的一端连接所述参考地GND，另一端连接所述第四采样电容C4的第一极板；所述第一采样电容C1、所述第二采样电容C2、所述第三采样电容C3、所述第四采样电容C4的第二极板相连，作为所述采样单元121的输出端。在本实施例中，为了实现对非线性的补偿，各采样电容满足：C2>C1、C3>C4。

更具体地，所述第一积分单元122连接于所述采样单元121的输出端，对所述采样单元121的输出信号进行比例积分。如图1所示，所述第一积分单元122包括第一双采样电容Cc1、第一积分电容Cf1、第二放大器1221及多个开关。所述第一双采样电容Cc1的第一极板连接所述采样单元121的输出端(即所述第一采样电容C1、所述第二采样电容C2、所述第三采样电容C3、所述第四采样电容C4的第二极板)，所述第一双采样电容Cc1的第二极板连接所述第二放大器1221的反相输入端；所述第一双采样电容Cc1的第一极板经由第一开关K11连接至所述第一积分电容Cf1的第一极板，所述第一积分电容Cf1的第二极板连接所述第二放大器1221的输出端，所述第一双采样电容Cc1的第二极板与所述第一积分电容Cf1的第一极板之间经由第二开关K12连接；所述第一双采样电容Cc1的第一极板经由第三开关K13连接至所述第二放大器1221的正相输入端，所述第二放大器1221的正相输入端还连接参考电压Vref。

需要说明的是，所述第二放大器1221的正相输入端及反相输入端的连接关系可互换，相对地，所述第二放大器1221的输出端的极性反相，通过增加反相器实现相同逻辑的电路结构均适用于本发明，在此不一一赘述。

更具体地，所述比较器123的输入端分别连接所述第二放大器1221的输出端及正相输入端(即所述第二放大器1221的正相输入端)，并输出比较结果。

需要说明的是，其中，所述第一支路采样开关SW1～第四支路采样开关SW4的控制端连接所述比较器123的输出端，所述第一支路采样开关SW1及所述第三支路采样开关Sw3在所述比较器123的输出信号为第一电平时导通，所述第二支路采样开关SW2及所述第四支路采样开关SW4在所述比较器123的输出信号为第二电平时导通，在本实施例中，所述第一支路采样开关SW1及所述第三支路采样开关Sw3高电平导通，所述第二支路采样开关SW2及所述第四支路采样开关SW4低电平导通。所述第一采样开关K1、所述第四采样开关K4、所述第六采样开关K6、所述第七采样开关K7、所述第二开关K12及所述第三开关K13受第一时钟Φ1的控制，所述第二采样开关K2、所述第三采样开关K3、所述第五采样开关K5、所述第八采样开关K8及所述第一开关K11受第二时钟Φ2的控制，所述第一时钟Φ1及所述第二时钟Φ2为非交叠时钟信号，在本实施例中，产生所述第一时钟Φ1及所述第二时钟Φ2的时钟产生电路未显示。所述比较器123的时钟信号Φ1’与所述第一时钟Φ1的反相信号同步。

更具体地，所述计数器124连接于所述比较器123的输出端，将所述比较器123的输出信号转化为一组多位的数字码。所述计数器124可采用任意计数电路、计时电路来实现，在此不一一赘述。

需要说明的是，所述CMOS温度传感器还包括设置于所述信号采集模块11及所述模数转换模块12之间的电流镜(图中未显示)。所述电流镜将所述信号采集模块11产生的偏置电流提供给所述第二放大器1221及所述比较器123，作为基准信号使用，电流镜结构为常规技术手段，在此不一一赘述。

所述CMOS温度传感器1用于检测温度，工作原理如下：

1)复用信号采集模块11获得偏置电流及与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}及与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}。

具体地，基于三极管产生与温度有关的电压，在本实施例中，所述三极管采用PNP型三极管，以实现与CMOS工艺的兼容。基于“虚短”“虚断”的原理控制所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的栅极，使得所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的漏极电压相等，进而得到偏置电流，满足：(V_{BE_HIGH}–V_{BE_LOW})/R。

2)基于所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}与所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}建立温度信息的补偿分式，分母和分子均为ΔV_BE与V_BE的线性组合，利用分母的非线性补偿分子的非线性，获得温度信息的数字信号。

具体地，非线性补偿后的温度信息满足如下关系：

其中，T为温度；ΔV_BE为所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}与所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}的差值；V_BE为所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}或所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}；A、B为常数；C、D、E、F分别为一预设值，均为自然数。此外，具有良好随温度变化的线性度；E·ΔV_BE-F·V_BE具有正温度系数；C·ΔV_BE+D·V_BE具有近似零温度系数，用来补偿分子的温度系数的非线性。

更具体地，基于各采样电容的容值可设定各预设值C、D、E、F，在本实施例中，满足如下关系：

C1:C2:C3:C4＝E:(E+F):(C+D):C；

其中，C1为所述与温度有关的第一电压的反相电压-V_{BE_HIGH}的采样电容；C2为所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}的采样电容；C3为所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}的采样电容；C4为所述与温度有关的第二电压的反相电压-V_{BE_LOW}的采样电容。在实际使用中，各预设值C、D、E、F的比例关系随工艺特性，只需满足上述非线性补偿后的温度信息关系式即可，在此不一一列举。

更具体地，如图1所示，从所述第一时钟Φ1变化到所述第二时钟Φ2，所述第一采样电容C1的第一极板电压从V_{BE_HIGH}变化到GND，由于电容两端的电压不能突变，所述第一采样电容C1的第二极板电压从GND变化到在-V_{BE_HIGH}，并于所述第二放大器1221的输出产生-V_{BE_HIGH}*C1/Cf的电压变化。依此类比，所述第二采样电容C2所在支路于所述第二放大器1221的输出产生V_{BE_LOW}*C2/Cf的电压变化；所述第三采样电容C3所在支路于所述第二放大器1221的输出产生V_{BE_HIGH}*C3/Cf的电压变化或是0电压变化；所述第四采样电容C4所在支路于所述第二放大器1221的输出产生-V_{BE_LOW}*C4/Cf的电压变化或是0电压变化；其中，所述比较器123的输出控制C3/C4支路在所述第二放大器1221的输出产生变化或是不产生变化。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种CMOS温度传感器1，与实施例一的不同之处在于，本实施例采用全差分结构，进一步提高准确性。

具体地，本实施例中的所述模数转换模块12包括第一采样单元121a、第二采样单元121b、第二积分单元122’、比较器123及计数器124。

更具体地，所述第一采样单元121a连接于所述信号采集模块11的输出端，分别对所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}、所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}、所述与温度有关的第一电压的反相电压-V_{BE_HIGH}及所述与温度有关的第二电压的反相电压-V_{BE_LOW}进行设定比例的采样，采样的比例通过各采样电容进行设定。所述第一采样单元121a与实施例一中的所述采样单元121结构相同，在此不一一赘述。

更具体地，所述第二采样单元121b连接于所述信号采集模块11的输出端，分别对所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}、所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}、所述与温度有关的第一电压的反相电压-V_{BE_HIGH}及所述与温度有关的第二电压的反相电压-V_{BE_LOW}进行设定比例的采样，采样的比例通过各采样电容进行设定。所述第二采样单元121b与实施例一中的所述采样单元121结构相同，在此不一一赘述。

更具体地，所述第二积分单元122’的输入端分别连接所述第一采样单元121a及所述第二采样单元121b的输出端，采用差分形式分别对所述与温度有关的第一电压V_{BE_HIGH}、所述与温度有关的第二电压V_{BE_LOW}、所述与温度有关的第一电压的反相电压-V_{BE_HIGH}及所述与温度有关的第二电压的反相电压-V_{BE_LOW}进行比例积分。如图2所示，所述第二积分单元122’包括第二双采样电容Cc2、第三双采样电容Cc3、第三放大器1221’，第二积分电容Cf2、第三积分电容Cf3及多个开关。所述第二双采样电容Cc2的第一极板连接所述第一采样单元121a的输出端，第二极板连接所述第三放大器1221’的第一输入端；且所述第二双采样电容Cc2的第一极板及第二极板分别经由第四开关K14及第五开关K15连接至所述第二积分电容Cf2的第一极板，所述第二积分电容Cf2的第二极板连接所述第三放大器1221’的第一输出端，所述第三放大器1221’的第一输入端及第一输出端反相；所述第三双采样电容Cc3的第一极板连接所述第二采样单元121b的输出端，第二极板连接所述第三放大器1221’的第二输入端；且所述第三双采样电容Cc3的第一极板及第二极板分别经由第六开关K16及第七开关K17连接至所述第三积分电容Cf3的第一极板，所述第三积分电容Cf3的第二极板连接所述第三放大器1221’的第二输出端，所述第三放大器1221’的第二输入端及第二输出端反相。

需要说明的是，在本实施例中，所述第三放大器1221’的第一输入端为反相输入端，所述第三放大器1221’的第一输入端为正相输入端。所述第三放大器1221’的正相输入端及反相输入端的连接关系可互换，相对地，所述第三放大器1221’的输出端的极性反相，通过增加反相器实现相同逻辑的电路结构均适用于本发明，在此不一一赘述。

更具体地，所述比较器123的输入端分别连接所述第二积分单元122’的正相输出端及反相输出端，并输出比较结果。

需要说明的是，所述第五开关K15及所述第七开关K17受第一时钟Φ1的控制，所述第四开关K14及所述第六开关K16受第二时钟Φ2的控制。

本实施例的CMOS温度传感器1的其他电路结构及工作原理与实施例一基本相同，在此不一一赘述。

本发明具有以下优点：

1、本发明对偏置电流电路进行复用来节省芯片面积和功耗。

2、本发明与CMOS工艺的兼容性良好。

3、本发明对不同的与温度有关的电压直接进行多路采样，大大提高采样精度和温度检测的精度和准确性。

4、本发明的电压采样和积分需要的电容值较小，节省芯片面积。

5、本发明的电压采样和积分需要的电容的自身匹配性比电阻和电流镜好，有助精度的提高。

综上所述，本发明提供一种CMOS温度传感器及温度检测方法，包括：信号采集模块，用于产生偏置电流、与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；模数转换模块，基于所述偏置电流、所述与温度有关的第一电压及所述与温度有关的第二电压将采集到的温度信息转化为数字信号输出。复用信号采集模块获得偏置电流及与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；利用所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压的线性组合对所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压的非线性进行补偿，获得温度信息的数字信号。本发明的CMOS温度传感器及温度检测方法适用于CMOS片上系统，复用偏置电流产生电路中不同三极管发射极和基极之间的电压来产生随温度变化的信号，并合理利用不同与温度有关的电压之间的组合来对自身随温度变化的非线性进行补偿，达到高精度温度测量的目的；本发明具有精度高、电路体积小、稳定性高、对器件要求低、成本低等优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (17)

1.一种CMOS温度传感器，其特征在于，所述CMOS温度传感器至少包括：

信号采集模块，用于产生偏置电流、与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；

模数转换模块，基于所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压建立温度信息的补偿分式，分母和分子均为ΔV_BE与V_BE的线性组合，利用分母的非线性补偿分子的非线性，获得温度信息的数字信号；其中，ΔV_BE为所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压的差值，V_BE为所述与温度有关的第一电压或所述与温度有关的第二电压。

2.根据权利要求1所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述CMOS温度传感器还包括设置于所述信号采集模块及所述模数转换模块之间的电流镜，用于为所述模数转换模块提供所述偏置电流。

3.根据权利要求1所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述信号采集模块包括第一三极管、第二三极管、电阻、第一PMOS管、第二PMOS管及第一放大器；

所述第一三极管的发射极及集电极分别连接所述第一PMOS管的漏极及参考地，所述第一三极管的基极连接所述第一三极管的集电极；

所述第二三极管的发射极及集电极分别连接所述电阻的第一端及所述参考地，所述第一三极管的基极连接所述第一三极管的集电极；

所述电阻的第二端连接所述第二PMOS管的漏极；

所述第一PMOS管的源极与所述第二PMOS管的源极相连，所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极相连；

所述第一放大器的输入端分别连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的漏极，输出端连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的栅极；

其中，所述第一PMOS管的漏端输出所述与温度有关的第一电压，所述电阻的第一端输出所述与温度有关的第二电压。

4.根据权利要求3所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述第一三极管及所述第二三极管为NPN型三极管；所述第一三极管的发射极连接所述参考地，集电极及基极连接所述第一PMOS管的漏极；所述第二三极管的发射极连接所述参考地，集电极及基极连接所述电阻的第一端。

5.根据权利要求3所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述第一三极管及所述第二三极管为PNP型三极管；所述第一三极管的发射极连接所述第一PMOS管的漏极，集电极及基极连接所述参考地；所述第二三极管的发射极连接所述电阻的第一端，集电极及基极连接所述参考地。

6.根据权利要求1所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述模数转换模块为sigma-delta结构。

7.根据权利要求6所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述模数转换模块包括采样单元、第一积分单元、比较器及计数器；

所述采样单元接于所述信号采集模块的输出端，分别对所述与温度有关的第一电压、所述与温度有关的第二电压、所述与温度有关的第一电压的反相电压及所述与温度有关的第二电压的反相电压进行设定比例的采样；

所述第一积分单元连接于所述采样单元的输出端，对所述采样单元的输出信号进行比例积分；

所述比较器的输入端分别连接所述第一积分单元的输出端及所述第一积分单元的正相输入端，并输出比较结果；

所述计数器连接于所述比较器的输出端，将所述比较器的输出信号转化为一组数字码。

8.根据权利要求7所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述第一积分单元包括第一双采样电容、第一积分电容、第二放大器及多个开关；

所述第一双采样电容的第一极板连接所述采样单元的输出端，所述第一双采样电容的第二极板连接所述第二放大器的第一输入端；所述第二放大器的第一输入端作为所述第一积分单元的反相输入端；

所述第一双采样电容的第一极板经由第一开关连接至所述第一积分电容的第一极板，所述第一积分电容的第二极板连接所述第二放大器的输出端；所述第一双采样电容的第二极板与所述第一积分电容的第一极板之间经由第二开关连接；

所述第一双采样电容的第一极板经由第三开关连接至所述第二放大器的第二输入端，所述第二放大器的第二输入端还连接一参考电压；所述第二放大器的第二输入端作为所述第一积分单元的正相输入端；

其中，所述第二开关及所述第三开关受第一时钟的控制，所述第一开关受第二时钟的控制，所述第一时钟及所述第二时钟为非交叠时钟信号，所述比较器的时钟信号与所述第一时钟的反相信号同步。

9.根据权利要求6所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述模数转换模块包括第一采样单元、第二采样单元、第二积分单元、比较器及计数器；

所述第一采样单元及所述第二采样单元均连接所述信号采集模块的输出端，对所述与温度有关的第一电压、所述与温度有关的第二电压、所述与温度有关的第一电压的反相电压及所述与温度有关的第二电压的反相电压进行设定比例的采样；

所述第二积分单元的输入端分别连接所述第一采样单元及所述第二采样单元的输出端，采用差分形式分别对所述与温度有关的第一电压、所述与温度有关的第二电压、所述与温度有关的第一电压的反相电压及所述与温度有关的第二电压的反相电压进行比例积分；

所述比较器的输入端分别连接所述第二积分单元的正相输出端及反相输出端，并输出比较结果；

所述计数器连接于所述比较器的输出端，将所述比较器的输出信号转化为一组数字码。

10.根据权利要求9所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述第二积分单元包括第二双采样电容、第三双采样电容、第三放大器，第二积分电容、第三积分电容及多个开关；

所述第二双采样电容的第一极板连接所述第一采样单元的输出端，第二极板连接所述第三放大器的第一输入端；且所述第二双采样电容的第一极板及第二极板分别经由第四开关及第五开关连接至所述第二积分电容的第一极板，所述第二积分电容的第二极板连接所述第三放大器的第一输出端，所述第三放大器的第一输入端及第一输出端反相；

所述第三双采样电容的第一极板连接所述第二采样单元的输出端，第二极板连接所述第三放大器的第二输入端；且所述第三双采样电容的第一极板及第二极板分别经由第六开关及第七开关连接至所述第三积分电容的第一极板，所述第三积分电容的第二极板连接所述第三放大器的第二输出端，所述第三放大器的第二输入端及第二输出端反相；

其中，所述第五开关及所述第七开关受第一时钟的控制，所述第四开关及所述第六开关受第二时钟的控制，所述第一时钟及所述第二时钟为非交叠时钟信号，所述比较器的时钟信号与所述第一时钟的反相信号同步。

11.根据权利要求7～10任意一项所述的CMOS温度传感器，其特征在于：各采样单元包括：多个支路采样开关、多个采样开关及多个采样电容；

第一采样开关的一端连接所述与温度有关的第一电压，另一端连接第一采样电容的第一极板；第二采样开关的一端连接参考地，另一端连接所述第一采样电容的第一极板；

第三采样开关的一端连接所述与温度有关的第二电压，另一端连接第二采样电容的第一极板；第四采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第二采样电容的第一极板；

第一支路采样开关的一端连接所述与温度有关的第一电压，另一端连接第五采样开关的第一端；第二支路采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第五采样开关的第一端；所述第五采样开关的第二端连接第三采样电容的第一极板；第六采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第三采样电容的第一极板；

第三支路采样开关的一端连接所述与温度有关的第二电压，另一端连接第七采样开关的第一端；第四支路采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第七采样开关的第一端；所述第七采样开关的第二端连接第四采样电容的第一极板；第八采样开关的一端连接所述参考地，另一端连接所述第四采样电容的第一极板；各采样电容的第二极板相连，作为各采样单元的输出端；

其中，各支路采样开关受所述比较器的输出信号控制，所述第一支路采样开关及所述第三支路采样开关在所述比较器的输出信号为第一电平时导通，所述第二支路采样开关及所述第四支路采样开关在所述比较器的输出信号为第二电平时导通；

所述第一采样开关、所述第四采样开关、所述第六采样开关及所述第七采样开关受第一时钟的控制，所述第二采样开关、所述第三采样开关、所述第五采样开关、所述第八采样开关及所述第九采样开关受第二时钟的控制，所述第一时钟及所述第二时钟为非交叠时钟信号。

12.根据权利要求11所述的CMOS温度传感器，其特征在于：所述第二采样电容的容值大于所述第一采样电容的容值，所述第三采样电容的容值大于所述第四采样电容的容值。

13.一种温度检测方法，其特征在于，所述温度检测方法至少包括：

复用信号采集模块获得偏置电流及与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；

基于所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压建立温度信息的补偿分式，分母和分子均为ΔV_BE与V_BE的线性组合，利用分母的非线性补偿分子的非线性，获得温度信息的数字信号；其中，ΔV_BE为所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压的差值，V_BE为所述与温度有关的第一电压或所述与温度有关的第二电压。

14.根据权利要求13所述的温度检测方法，其特征在于：采用PNP型三极管产生与温度有关的电压。

15.根据权利要求13所述的温度检测方法，其特征在于：采用sigma-delta结构的模数转换模块实现温度信息补偿分式的建立。

16.根据权利要求13所述的温度检测方法，其特征在于：所述温度信息的补偿分式满足如下关系：

其中，T为温度；A、B为常数；C、D、E、F分别为一预设值。

17.根据权利要求16所述的温度检测方法，其特征在于：基于采样电容的容值设定各预设值，满足如下关系：

C1:C2:C3:C4＝E:(E+F):(C+D):C；

其中，C1为所述与温度有关的第一电压的反相电压的采样电容；C2为所述与温度有关的第二电压的采样电容；C3为所述与温度有关的第一电压的采样电容；C4为所述与温度有关的第二电压的反相电压的采样电容。