CN109632118B - 一种cmos温度传感电路及mems温度传感器系统 - Google Patents

一种cmos温度传感电路及mems温度传感器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CMOS温度传感电路，包括依次相连的电流产生模块、电流/电压转换模块、电压比较模块和占空比调节模块；电流产生模块用于产生随温度成正比的电流信号，电流信号经电流/电压转换模块置换为电压信号，电压信号输入至电压比较模块产生高低电平信号，高低电平信号经占空比调节模块转换为占空比信号，并返回至电流产生模块以控制输出的电流。本发明还公开了一种MEMS温度传感器系统，包括温度传感器和如上所述的CMOS温度传感电路，温度传感器与CMOS温度传感电路相连，温度传感器用于生成随温度变化的电流信号，CMOS温度传感电路用于接收电流信号并生成与温度信号呈正比的占空比信号。本发明的电路和系统均具有集成度高和灵敏度高等优点。

Description

一种CMOS温度传感电路及MEMS温度传感器系统
技术领域
本发明主要涉及温度传感器技术领域，特指一种CMOS温度传感电路及MEMS温度传感器系统。
背景技术
温度是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数，由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50％。温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种集成度高、灵敏度高的CMOS温度传感电路及MEMS温度传感器系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种CMOS温度传感电路，包括电流产生模块、电流/电压转换模块、电压比较模块和占空比调节模块；所述电流产生模块、电流/电压转换模块、电压比较模块和占空比调节模块依次相连；所述电流产生模块用于产生随温度成正比的电流信号，所述电流信号经所述电流/电压转换模块置换为电压信号，所述电压信号输入至电压比较模块产生高低电平信号，所述高低电平信号经占空比调节模块转换为占空比信号，并返回至电流产生模块以控制输出的电流。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述电流产生模块包括第一电流源、第二电流源、第三电流源和开关，所述开关的通断通过占空比信号进行控制；所述第一电流源的负极分别与第二电流源的正极和开关的一端相连；所述第二电流源的负极与接地端相连；所述第三电流源的正极与开关的另一端相连，负极与接地端相连；所述第一电流源的输出电流Ip随温度成正比；所述第一电流源为具有正温度系数的电流源；所述第二电流源和第三电流源为具有零温度系数的电流源。
所述电流/电压转换模块包括电容，所述电容一端分别与第一电流源负极、第二电流源正极、开关的一端相连，所述电容的另一端与接地端相连。
所述电压比较模块包括电压比较器；所述电压比较器的第一端与电容的一端相连，第二端与温度参考高电压相连，第三端与温度参考低电压相连。
所述占空比调节模块包括D触发器，所述D触发器的输入端与电压比较器的输出端相连，输出端与开关的控制端相连。
本发明还公开了一种MEMS温度传感器系统，包括温度传感器和如上所述的CMOS温度传感电路，所述温度传感器与所述CMOS温度传感电路相连，所述温度传感器用于生成随温度变化的电流信号，所述CMOS温度传感电路用于接收电流信号并生成与温度信号呈正比的占空比信号。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述温度传感器和CMOS温度传感电路封装为一体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的CMOS温度传感电路，占空比调节模块可以灵敏地跟踪温度变化，使输出脉冲占空比与温度成线性变化，并通过数字计数器完成数字化输出，灵敏度高、可靠性强，而且，避免使用模数转换器，能够降低成本、功耗以及电路复杂度。
本发明的CMOS温度传感电路，由于只利用到MOS场效应晶体管、电容、双极型场效应晶体管等，容易与传统的CMOS工艺集成，而且结构简单，面积较小。
本发明MEMS温度传感器系统，同样具有如上CMOS温度传感电路所述的优点，而且结构简单、占用体积小。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明中输出的占空比-温度关系曲线图。
图3为本发明中充电电流-时间曲线图。
图4为本发明中放电电流-时间曲线图。
图5为本发明中系统结构图。
图中标号表示：1、CMOS温度传感电路；101、电流产生模块；102、电流/电压转换模块；103、电压比较模块；104、占空比调节模块；2、温度传感器
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本实施例的CMOS温度传感电路，包括电流产生模块101、电流/电压转换模块102、电压比较模块103和占空比调节模块104；电流产生模块101、电流/电压转换模块102、电压比较模块103和占空比调节模块104依次相连；电流产生模块101用于产生随温度成正比的电流信号，电流信号经电流/电压转换模块102置换为电压信号，电压信号输入至电压比较模块103产生高低电平信号，高低电平信号经占空比调节模块104转换为占空比信号，并返回至电流产生模块101以控制输出的电流。
本发明的CMOS温度传感电路，占空比调节模块104可以灵敏地跟踪温度变化，使输出脉冲占空比与温度成线性变化，并通过数字计数器完成数字化输出，避免使用模数转换器，能够降低成本、功耗以及电路复杂度。
本实施例中，电流产生模块101包括第一电流源E1、第二电流源E2、第三电流源E3和开关K；第一电流源E1的负极分别与第二电流源E2的正极和开关K的一端相连；第二电流源E2的负极与接地端相连；第三电流源E3的正极与开关K的另一端相连，负极与接地端相连；第一电流源E1的输出电流Ip随温度成正比；第一电流源E1为具有正温度系数的电流源；第二电流源E2和第三电流源E3为具有零温度系数的电流源。
本实施例中，电流/电压转换模块102包括电容C，电容C一端分别与第一电流源E1的负极、第二电流源E2的正极、开关K的一端相连，电容C的另一端与接地端相连。
本实施例中，电压比较模块103包括电压比较器COM；电压比较器COM的第一端与电容C的一端相连，第二端与温度参考高电压(refhi)相连，第三端与温度参考低电压(reflo)相连。
本实施例中，占空比调节模块104包括D触发器，D触发器的输入端与电压比较器的输出端相连，输出端与开关的控制端相连。由于只利用到MOS场效应晶体管、电容、双极型场效应晶体管等，容易与传统的CMOS工艺集成，而且结构简单，面积较小。
具体原理：第一电流源E1为具有正温度系数的电流源，输出电流Ip随温度成正比；第二电流源E2和第三电流源E3为具有零温度系数的电流源，输出电流分别为Iz和2.5Iz，与温度无关。当开关K断开时，由于Ip>Iz，充电电流大于放电电流，多余的电荷将对电容进行充电，此时节点A的电压大于refhi，迟滞电压比较器输出高电平。当开关K关闭时，由于Ip<3.5Iz，充电电流小于放电电流，电容C将进行放电，此时节点A的电压小于reflo，迟滞电压比较器输出低电平。假设开关K由周期为T的时钟控制，u为时钟信号的占空比。当控制开关K为低电平时，电容C的充电电流I_charge＝Ip-Iz，电容C的电荷量为Q_chg＝(Ip-Iz)*(1-u)*T。当控制开关K为高电平时，电容C放电电流I_discharge＝3.5*Iz-Ip，电容C的放电量Q_dischg＝(3.5*Iz-Ip)*u*T。根据电荷守恒定律，充电电荷与放电电荷量相等，即Q_chg＝Q_dischg，推导后可得占空比为u＝0.4*(Ip/Iz-1)。而Ip＝a*T+Ipo，其中a为斜率，Ipo为0℃时的电流。由此可得，占空比u＝0.4*((a*T+Ipo)/Iz-1)，其中a、Ipo和Iz均与温度无关，因此占空比只与温度T相关，而且随着温度T成线性变换，如图2所示；而充电电流随温度的变化如图3所示，放电电流随温度的变化如图4所示。
如图5所示，本发明还公开了一种MEMS温度传感器系统，包括温度传感器2(图5中的表头，通过MEMS工艺制备)和如上所述的CMOS温度传感电路1(图5中ASIC)，温度传感器2与CMOS温度传感电路1相连，温度传感器2用于生成随温度变化的电流信号，CMOS温度传感电路1用于接收电流信号并生成与温度信号呈正比的占空比信号(具体过程如上所述)。另外，温度传感器2和CMOS温度传感电路1封装为一体，结构简单且体积小。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种CMOS温度传感电路，其特征在于，包括电流产生模块（101）、电流/电压转换模块（102）、电压比较模块（103）和占空比调节模块（104）；所述电流产生模块（101）、电流/电压转换模块（102）、电压比较模块（103）和占空比调节模块（104）依次相连；所述电流产生模块（101）用于产生随温度成正比的电流信号，所述电流信号经所述电流/电压转换模块（102）置换为电压信号，所述电压信号输入至电压比较模块（103）产生高低电平信号，所述高低电平信号经占空比调节模块（104）转换为占空比信号，并返回至电流产生模块（101）以控制输出的电流；
所述电流产生模块（101）包括第一电流源、第二电流源、第三电流源和开关，所述开关的通断通过占空比信号进行控制；所述第一电流源的负极分别与第二电流源的正极和开关的一端相连；所述第二电流源的负极与接地端相连；所述第三电流源的正极与开关的另一端相连，负极与接地端相连；所述第一电流源的输出电流Ip随温度成正比；所述第一电流源为具有正温度系数的电流源；所述第二电流源和第三电流源为具有零温度系数的电流源；
所述电流/电压转换模块（102）包括电容，所述电容一端分别与第一电流源负极、第二电流源正极、开关的一端相连，所述电容的另一端与接地端相连；
所述电压比较模块（103）包括电压比较器；所述电压比较器的第一端与电容的一端相连，第二端与温度参考高电压相连，第三端与温度参考低电压相连。
2.根据权利要求1所述的CMOS温度传感电路，其特征在于，所述占空比调节模块（104）包括D触发器，所述D触发器的输入端与电压比较器的输出端相连，输出端与开关的控制端相连。
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