CN109916524A - 积分型数字化温度传感电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种积分型数字化温度传感电路。本发明一种积分型数字化温度传感电路，包括：PTAT电路模块、开关、CTAT电流模块、积分器、窗比较器和控制与转换逻辑组件；所述积分器包括积分电容和放大器；所述积分电容的两端分别连接在所述放大器的输入端和输出端；所述控制与转换逻辑组件包括控制器、计数器、温度计算器以及两个SPI模块。本发明的有益效果：现有技术没有考虑低电源电压工作的情况，而本发明适应于低电源电压工作的情况。本发明还还应用了斩波技术以减小设计误差。本发明也具有很强的灵活性与可调性，以及良好的稳定性。

Description

积分型数字化温度传感电路

技术领域

本发明涉及电路领域，具体涉及一种积分型数字化温度传感电路。

背景技术

上个世纪60年代，W.T.Matzen和R.A.Meadows等人提出了一种制作工艺与集成电路工艺相兼容的热电元件设计理论。在两年后，T.F.Prosser提出并成功研制出了世界上首颗集成温度传感器芯片。随着功能电路集成化的发展，大量的集成温度传感器被开发出来，并且功能越来越多，性能也在不断提升。较为著名的集成温度传感器生产公司，如德州仪器(TI)、美国模拟器件(ADI) 等都将各自的产品广泛地应用于工业、医疗设备、计算机以及消费类产品。

各国的高校和科研院所也在不断地开发与探索新技术、新工艺，从而研发性能更强、精度更高和功耗更低的集成温度传感器。在顶级国际会议和顶级国际期刊上都不断地有关于集成温度传感器的论文更新。由国内外集成温度传感器的发展状况可知，以ADI、TI等为代表的半导体公司已有成熟的产品，并占领了相当的市场。我国大陆地区在集成温度传感器这一领域的起步较晚，没有成熟的产品问世。在如今需要大量的集成温度传感器的背景下，深入研究和大力发展该类功能芯片必然是大势所趋。

在与本发明最相近似的实现方案中，已经公开的一种温度传感电路包括以下模块：PTAT电流产生电路、PTAT电压产生电路以及模数转换电路ADC。该电路通过PTAT电路产生与温度相关的电流，再经过电流-电压转换电路产生PTAT 电压，最后由模数转换器ADC将PTAT的模拟电压转换为数字信号。

传统技术存在以下技术问题：

现有技术在应用时会遇到不能在低电源电压下正常工作、稳定性差，并且其灵活性不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种积分型数字化温度传感电路。公开了一种在集成数字温度传感器中能适应电压下调、稳定电路节点的电路设计方法，基本原理涉及与绝对温度成正比(PTAT)的电流和与绝对温度成反比(CTAT) 的电流，工作时时序控制模块分别对PTAT电流和CTAT电流进行占空比调制，占空比信息通过积分型模数转换器进行数字化，再经过计数值与温度关系拟合，输出能表达实际温度值的二进制数值。本发明中能适应电压下调、稳定电路节点的电路部分是PTAT和CTAT电流后的积分器和窗比较器，积分器能对电流切换节点进行钳位，电压变化点转移到积分器的输出端，能在低电压工作环境下拓宽比较器的窗范围，减小设计误差。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种积分型数字化温度传感电路，包括：

PTAT电路模块、开关、CTAT电流模块、积分器、窗比较器和控制与转换逻辑组件；所述积分器包括积分电容和放大器；所述积分电容的两端分别连接在所述放大器的输入端和输出端；所述控制与转换逻辑组件包括控制器、计数器、温度计算器以及两个SPI模块；

所述窗口比较器将积分器的输出信号转换为PWM波信号；控制与转换逻辑部分所包含的计数器根据系统时钟和窗比较器输出的PWM信号进行计数，即将窗比较器输出的PWM波信号的占空比进行计算和量化；然后，控制器在芯片的标定表中找出与这个量化的值相对应的值，最后通过SPI模块将数据进行输出，另一个SPI模块用于实现具有校准参数的片上编程；如果需要校准芯片，通过SPI编程来修改参数，将校准参数和计数器的结果加载到温度计算器中，以实现下一步的芯片计算；

当PTAT电路模块对积分电容充电使积分器的输出电压低于窗比较器的下限电压时，控制器会使所述开关接到CTAT电流模块上；当CTAT电流模块对积分电容放电使积分器的输出电压高于所述窗比较器的上限电压时，控制器会使所述开关接到PTAT电流模块上。

本发明的有益效果：

现有技术没有考虑低电源电压工作的情况，而本发明适应于低电源电压工作的情况。本发明还还应用了斩波技术以减小设计误差。本发明也具有很强的灵活性与可调性，以及良好的稳定性。

附图说明

图1是本发明积分型数字化温度传感电路的整体结构示意图。

图2是本发明积分型数字化温度传感电路中的PTAT和CTAT电流产生的简化电路图。

图3是本发明积分型数字化温度传感电路的模拟前端的占空比调制部分的示意图。

图4是本发明积分型数字化温度传感电路中的计数器的状态转换图。

图5是本发明积分型数字化温度传感电路中的动态适配部分的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

术语解释：(认为应该List出来的术语解释)

Proportional ToAbsolute Temperature：与绝对温度成正比，即PTAT；

Complementary ToAbsolute Temperature：与绝对温度互补，即CTAT；

Analog-to-Digital Converter：模数转换器，即ADC；

Dynamic Element Matching：动态元件匹配，即DEM；

Chopping Technique：斩波技术；

BJT：Bipolar Junction Transistor，即双极结型晶体管；

SPI：Serial Peripheral Interface，即串行外设接口；

PWM：Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制；

温度传感器由模拟前端，控制器和计数器，温度计算器和两个SPI模块组成。其中，控制器、计数器、温度计算器以及两个SPI模块都位于图1中的控制与转换逻辑部分。所提出的温度传感器的总体结构如图1所示。

温度传感电路基于BJT的温度特性。积分器是占空比调制的主要部分，它实现了与温度相关电流的多重积分操作。窗口比较器将积分器的输出信号转换为 PWM波信号，即占空比可变的高低电平信号(数字信号)。以上部分均属于模拟前端。接下来的模块中，控制器会根据窗比较器的输出来对DEM和斩波部分提供控制信号，以调节PTAT、CTAT电流来减小因工艺带来的误差。此外，控制与转换逻辑部分所包含的计数器根据系统时钟和窗比较器输出的PWM信号进行计数，即将窗比较器输出的PWM波信号的占空比进行计算和量化。然后，控制器在芯片的标定表(标定表是在芯片生产之后的调试过程中存储到内部存储器的)中找出与这个量化的值相对应的值，最后通过SPI模块将数据进行输出。另一个SPI 模块用于实现具有校准参数的片上编程。如果需要校准芯片，可以通过SPI编程来修改参数。将校准参数和计数器的结果加载到温度计算器中，以实现下一步的芯片计算。以这种方式，获得二元温度数据。

模拟前端中的温度感知电路是基于BJT的温度特性，一方面是基极与发射极间的电压V_BE具有负温度系数，它与温度的关系如式所示：

其中，V_BE是基极与发射极之间的电压差；V_T＝kT/g是温度的电压当量，

是玻尔兹曼常量，T是绝对温度，q是电子电荷；m≈-3/2；E_g是硅的带隙能。当V_BE≈750mV，T＝300K时，

另一方面是若两个双极晶体管支路的电流密度不同时，两者的V_BE之差与ΔV_BE具有正温度系数，关系式如式所示：

其中，即两路电流的比值。

PTAT和CTAT电流产生的简化电路图如图2所示：

晶体管M1、M2、M3、M4用于整个电路的偏置。晶体管M5、M6、M7、M8、Q1、 Q2，电阻R1以及运算放大器是用来产生PTAT电流的。其中M5和M6、M7和M8的宽长比W/L为1:m，Q1和Q2的发射极面积之比为n:1。由图2可看出，电阻R1两端的电压是晶体管Q1和Q2的基极发射极电压的电压差，即ΔV_BE。所以通过R1的电流即为PTAT电流，i_ptat＝ΔV_BE/R₁，其中ΔV_BE＝V_Tln(mn)。晶体管M11、M12、M13、 M14将i_ptat镜像得到最终输出的PTAT电流。晶体管M9和M10、Q3和Q4构成的电路部分是用来产生CTAT电流的。晶体管Q4的V_BE经过预算放大器amp2缓冲后施加到电阻R2上，得到i_ctat＝V_BE/R₂。图2中的amp1和amp2采用了斩波技术以减小设计误差。

模拟前端的占空比调制部分由积分器和窗比较器组成，如图3所示。

PTAT和CTAT产生的直流电流信号经过积分器后会转换为斜坡函数信号。如图3结构所示，当PTAT电流对积分电容Ci充电时，会在运算放大器amp3的输出端得到一个斜率为负的斜坡函数；而当CTAT电流对Ci放电时，会在其输出端得到一个斜率为正的斜坡函数。斜坡函数的斜率大小取决于PTAT、CTAT电流的大小。前级电流镜的漏极输出电压会从输入阈值V_{TH_N}变为施密特触发器的 V_{TH_P}，从而引入了沟道长度调制效应。但图3中的积分器可以使得漏极电压稳定。考虑到i_ctat的生成，V_{TH_N}不能小于V_BE，这一点对于低电压工作至关重要。在漏极电压稳定后，电流固定，窗比较器的输入摆幅更灵活。

图3中的V_cm、V_ia、V_hi的值分别设为1.25V、0.25V、2.25V。W_in1和W_in0是窗比较器的输出。计数器的状态转换图如图4所示。

PTAT电流对积分电容充电和CTAT电流对积分电容放电的两个状态之间的切换是通过窗比较器、控制逻辑以及动态适配技术实现的。动态适配部分在图1中由连接PTAT电流源、CTAT电流沉和后级的积分器的开关表示的，它实际的电路图如图5所示。当PTAT对积分电容充电使积分器的输出电压低于V_lo时，控制器会使开关接到CTAT电流上；当CTAT电流对积分电容放电使积分器的输出电压高于V_hi时，控制器会使开关接到PTAT电流上。而且PTAT电流、CTAT电流都不只是一个模块，是多个模块相互交替切换连接以平均每个子模块的尺寸偏差。

通过W_in1、W_in0的输出状态和系统时钟，计数器分别对PTAT电流和CTAT 的总积分时间进行计数量化，即测它们分别总共持续了多少个系统时钟。设 PTAT、CTAT电流的一个周期的积分时间为t_int、积分电容为C_i、PTAT电流的计数值为reg_ctat、CTAT电流的计数值为reg_ptat、占空比为duty，则有如下关系式：

reg_ctat+regptat＝N×f_cik×t_int··········式④

最后，经过拟合，可以得到温度T、reg_ctat、reg_ptat的关系如下：

其中，ftrim为修正参数，a₀、a₁为待定系数(可通过测定得出)

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (1)

1.一种积分型数字化温度传感电路，其特征在于，包括：

PTAT电路模块、开关、CTAT电流模块、积分器、窗比较器和控制与转换逻辑组件；所述积分器包括积分电容和放大器；所述积分电容的两端分别连接在所述放大器的输入端和输出端；所述控制与转换逻辑组件包括控制器、计数器、温度计算器以及两个SPI模块；

所述窗口比较器将积分器的输出信号转换为PWM波信号；控制与转换逻辑部分所包含的计数器根据系统时钟和窗比较器输出的PWM信号进行计数，即将窗比较器输出的PWM波信号的占空比进行计算和量化；然后，控制器在芯片的标定表中找出与这个量化的值相对应的值，最后通过SPI模块将数据进行输出，另一个SPI模块用于实现具有校准参数的片上编程；如果需要校准芯片，通过SPI编程来修改参数，将校准参数和计数器的结果加载到温度计算器中，以实现下一步的芯片计算；

当PTAT电路模块对积分电容充电使积分器的输出电压低于窗比较器的下限电压时，控制器会使所述开关接到CTAT电流模块上；当CTAT电流模块对积分电容放电使积分器的输出电压高于所述窗比较器的上限电压时，控制器会使所述开关接到PTAT电流模块上。