CN110487436B - 一种温度传感器及陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种温度传感器及陀螺仪，其中，温度传感器包括电压比较模块，用以根据预设的第一参考电压和第二参考电压对电压比较模块的输入端接收的与温度相关的输入电压进行比较，以在电压比较模块的输出端输出具有指定时钟周期且具有指定时钟占空比的电压信号，其中，第一参考电压小于第二参考电压。温度传感器还可包括电流产生模块电流电压转化模块以及电平转换模块。本发明的温度传感器利用电压比较模块替换传统的温度传感器的ADC模块，利用电压比较模块、电流产生模块、电流电压转化模块以及电平转换模块实现了温度传感器的功能，在保证温度传感器检测精度的同时，节省了传统温度传感器中的ADC模块，降低温度传感器运行时的功耗，减小了面积。
Description
技术领域
本发明涉及温度检测领域，特别是涉及一种温度传感器及陀螺仪。
背景技术
温度传感器广泛应用于mems传感器中，例如应用于三轴陀螺仪以及三轴加速度计中，需要准确采集传感器芯片工作的温度信息通过数字算法进行温度补偿；现在六轴惯性系统中也需要多点检测温度数据进行温度检测，从而动态消除温度对惯性系统的影响。互补金属氧化物半导体温度传感器中，利用了晶体管的稳定温度特性，得到了广泛应用于推广。而现有最常见的方法是通过将随温度线性变化的电压或者电流通过ADC(模数转换器)实现数字输出，但是这种方法通常会利用一个模拟-数字转换芯片，高精度要求情况下，ADC(模数转换器)会成为整个能耗的主体随着环保节能，同时还要实现数字化检测输出。所以需要设计一种可在标准半导体工艺下获得的降低功耗且不降低检测精度的温度传感器。
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温度传感器及陀螺仪，用于解决现有技术中不能在保证温度传感器的精度的同时降低温度传感器的功耗等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种温度传感器，包括：电压比较模块，用以根据预设的第一参考电压和第二参考电压对所述电压比较模块的输入端接收的与温度相关的输入电压进行比较，以在所述电压比较模块的输出端输出具有指定时钟周期且具有指定时钟占空比的电压信号，其中，所述第一参考电压小于所述第二参考电压。
在一些实施例中，包括：电流产生模块，包括第一电流产生单元和第二电流产生单元，所述第二电流产生单元通过开关选择性的与所述第一电流产生单元电连接，其中，第一电流产生单元产生与温度相关的第一电流，第二电流产生单元产生与温度无关的第二电流；电流电压转化模块，包括电流电压转化模块的第一端和电流电压转化模块的第二端，所述电流电压转化模块的第一端接地，所述电流电压转化模块的第二端与所述电压比较模块的输入端电连接，且所述电流电压转化模块的第二端还电连接于所述第一电流产生单元和所述开关之间；其中，所述电流电压转化模块，用以将流经所述电流电压转化模块的输入电流转化为所述输入电压；电平转换模块，所述电平转换模块的第一端与所述电压比较模块的输出端电连接，所述第二电流产生单元通过所述开关选择性的与所述电平转换模块的第二端电连接，所述电平转换模块用以将所述电压信号转化为开关触发信号，以根据所述开关触发信号控制所述开关选择性的与所述第一电流产生单元或所述电平转换模块的第二端电连接，进而令所述第二电流产生单元通过所述开关与所述电平转换模块的第二端或所述第一电流产生单元电连接，以改变流经所述电流电压转化模块的所述输入电流。
在一些实施例中，所述电流电压转化模块包括电容C1，其中，在一个时钟周期中，通过所述输入电流对所述电容C1进行充电的充电电荷量和对所述电容C1进行放电的放电电荷量相等。
在一些实施例中，所述第二电流产生单元通过所述开关与所述电平转换模块的第二端电连接时，所述输入电流为所述第一电流，所述第二电流产生单元通过所述开关与所述第一电流产生单元电连接时，所述输入电流为所述第二电流减去所述第一电流。
在一些实施例中，所述电压信号的所述时钟占空比与所述第一电流相关。
在一些实施例中，所述温度传感器还包括与所述电压比较模块的输出端电连接的数字计算模块，所述数字计算模块用以根据所述电压信号的高电平、低电平以及时钟占空比获取关于所述电压信号的平均电压，且将所述平均电压转化为十进制数字输出。
在一些实施例中，所述第一电流产生单元包括第一电路支路和第二电路支路，其中，所述第一电路支路产生第一支路电流，所述第二电路支路产生第二支路电流，且所述第一支路电流和所述第二支路电流分别与所述第一电流正相关。
在一些实施例中，所述第一电路支路包括三极管Q1、电阻r1、以及场效应管M1，所述第二电路支路包括三极管Q2、电阻r2、电阻r3以及场效应管M2，其中，所述三极管Q1的集电极接地，所述三极管Q1的发射极与所述电阻r1的第一端电连接，所述电阻r1的第二端与所述场效应管M1的源极电连接，所述场效应管M1的漏极与所述场效应管M2的漏极电连接，所述场效应管M2的栅极与所述场效应管M1的栅极电连接，所述场效应管M2的源极与所述电阻r2的第一端电连接，所述电阻r2的第二端与所述电阻r3的第一端电连接，所述电阻r3的第二端与所述晶体管Q2的发射极电连接，所述晶体管Q2的集电极接地，所述晶体管Q2的基极与所述晶体管Q1的基极电连接，其中，所述晶体管Q1的发射极的电压与所述电阻r3的第二端的电压相等，所述第一电流产生单元还包括放大器OPA1，所述晶体管Q1的发射极与所述放大器OPA1的负极输入端电连接，所述电阻r3的第一端与所述放大器OPA1的正极输入端电连接，所述放大器OPA1的输出端分别与所述场效应管M1的源极和所述场效应管M2的源极电连接，其中，所述场效应管M1的漏极的上的电流为所述第一支路电流，所述场效应管M2的漏极的上的电流为所述第二支路电流。
在一些实施例中，所述第一电路支路包括多个并联的三极管Q1；和/或所述第二电路支路包括多个并联的三极管Q2。
在一些实施例中，所述第二电流产生单元包括第三电路支路，所述第三电路支路产生所述第二电流，所述第三电路支路包括场效应管M3、电阻r4、电阻r5、电阻r6以及电容C2；其中，所述场效应管M3的漏极与所述场效应管M2的漏极电连接，所述场效应管M3的源极与所述电阻r4的第一端电连接，所述电阻r4的第二端与所述电阻r5的第一端电连接，所述电阻r5的第二端接地，所述电阻r6的第一端与所述场效应管M3的栅极电连接，所述电阻r6的第二端与所述电容C2的第一端电连接，所述电容C2的第二端与所述电阻r4的第一端电连接，所述第二电流产生单元还包括放大器OPA2，所述电阻r2的第一端与所述放大器OPA2的正极输入端电连接，所述放大器OPA2的负极输入端与所述电阻r4的第二端电连接，所述放大器OPA2的输出端与所述电阻r6的第一端电连接。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种陀螺仪，包括如上任一项所述的温度传感器。
如上所述，本发明提供一种温度传感器及陀螺仪，其中，所述温度传感器包括电压比较模块，用以根据预设的第一参考电压和第二参考电压对所述电压比较模块的输入端接收的与温度相关的输入电压进行比较，以在所述电压比较模块的输出端输出具有指定时钟周期且具有指定时钟占空比的电压信号，其中，所述第一参考电压小于所述第二参考电压。所述温度传感器还可包括电流产生模块电流电压转化模块以及电平转换模块。本发明的温度传感器利用所述电压比较模块替换传统的温度传感器的ADC模块，且利用电压比较模块、电流产生模块、电流电压转化模块以及所述电平转换模块实现了温度传感器的功能，在保证温度传感器检测精度的同时，节省了传统温度传感器中的ADC模块，降低温度传感器运行时的功耗，减小了面积。
附图说明
图1显示为本发明的温度传感器在一具体实施例中的组成示意图。
图2显示为本发明的温度传感器在一具体实施例中的电路原理示意图。
图3显示为本发明的电流产生模块在一具体实施例中的电路原理示意图。
图4显示为本发明的温度传感器在一具体实施例中的电路原理示意图。
元件标号说明
1 电压比较模块
2 电流产生模块
3 电流电压转化模块
4 电平转换模块
5 数字计算模块
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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下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，遂图示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。
本发明的温度传感器，利用电压比较模块替代传统的温度传感器中的模数转换模块，在保证温度检测的精度的同时，
请参阅图1，显示为本发明的温度传感器在一具体实施例中的组成示意图。参阅图2，显示为本发明的温度传感器在一具体实施例中的电路原理示意图。所述温度传感器可应用于陀螺仪中，所述温度传感器包括电压比较模块1，所述电压比较模块1用以根据预设的第一参考电压(例如图2中的vref1)和第二参考电压(例如图2中的vref2)对所述电压比较模块的输入端接收的与温度相关的输入电压进行比较，以在所述电压比较模块的输出端输出具有指定时钟周期且具有指定时钟占空比的电压信号，其中，所述第一参考电压小于所述第二参考电压。其中，所述电压信号为高低反转的电平信号，包括高电平和低电平，电压信号随温度线性相关。所述电压比较模块1可为迟滞比较器。
在一些实施例中，所述温度传感器还包括电流产生模块2、电流电压转化模块3以及电平转换模块4。
所述电流产生模块2，包括第一电流产生单元和第二电流产生单元，所述第二电流产生单元通过开关选择性的与所述第一电流产生单元电连接，其中，第一电流产生单元产生与温度相关的第一电流，即所述第一电流产生单元为如图2所示的Iptat电流产生单元，ptat(proportional to absolute temperature，与温度成比例)，Iptat电流产生单元可产生正比于温度变化的电流信号。第二电流产生单元产生与温度无关的第二电流；第二电流产生单元为如图2所示的Iztat电流产生单元，ztat(zero to absolute temperature，与温度无关)。
所述电流电压转化模块3包括电流电压转化模块的第一端和电流电压转化模块的第二端，所述电流电压转化模块的第一端接地，所述电流电压转化模块的第二端与所述电压比较模块的输入端电连接，且所述电流电压转化模块的第二端还电连接于所述第一电流产生单元和所述开关之间；其中，所述电流电压转化模块，用以将流经所述电流电压转化模块的输入电流转化为所述输入电压；
所述电平转换模块4所述电平转换模块的第一端与所述电压比较模块的输出端电连接，所述第二电流产生单元通过所述开关选择性的与所述电平转换模块的第二端电连接，所述电平转换模块用以将所述电压信号转化为开关触发信号，以根据所述开关触发信号控制所述开关选择性的与所述第一电流产生单元或所述电平转换模块的第二端电连接，进而令所述第二电流产生单元通过所述开关与所述电平转换模块的第二端或所述第一电流产生单元电连接，以改变流经所述电流电压转化模块的所述输入电流。且所述电压信号的所述时钟占空比与所述与温度相关的第一电流相关。
进一步的参阅图2，所述电流电压转化模块3包括如图2所示的电容C1，其中，在一个时钟周期中，通过所述输入电流对所述电容C1进行充电的充电电荷量和对所述电容C1进行放电的放电电荷量相等。
其中，所述第二电流产生单元通过所述开关与所述电平转换模块的第二端电连接时，所述输入电流为所述第一电流，所述第二电流产生单元通过所述开关与所述第一电流产生单元电连接时，所述输入电流为所述第二电流减去所述第一电流。
进一步参阅图3，显示为本发明的电流产生模块在一具体实施例中的电路原理示意图。其中，所述第一电流产生单元包括第一电路支路和第二电路支路，其中，所述第一电路支路产生第一支路电流，所述第二电路支路产生第二支路电流，且所述第一支路电流和所述第二支路电流分别与所述第一电流正相关。
具体的，如图3所示，所述第一电路支路包括三极管Q1、电阻r1、以及场效应管M1，所述第二电路支路包括三极管Q2、电阻r2、电阻r3以及场效应管M2，其中，所述三极管Q1的集电极接地，所述三极管Q1的发射极与所述电阻r1的第一端电连接，所述电阻r1的第二端与所述场效应管M1的源极电连接，所述场效应管M1的漏极与所述场效应管M2的漏极电连接，所述场效应管M2的栅极与所述场效应管M1的栅极电连接，所述场效应管M2的源极与所述电阻r2的第一端电连接，所述电阻r2的第二端与所述电阻r3的第一端电连接，所述电阻r3的第二端与所述晶体管Q2的发射极电连接，所述晶体管Q2的集电极接地，所述晶体管Q2的基极与所述晶体管Q1的基极电连接，其中，所述晶体管Q1的发射极的电压与所述电阻r3的第二端的电压相等，所述第一电流产生单元还包括放大器OPA1，所述晶体管Q1的发射极与所述放大器OPA1的负极输入端电连接，所述电阻r3的第一端与所述放大器OPA1的正极输入端电连接，所述放大器OPA1的输出端分别与所述场效应管M1的源极和所述场效应管M2的源极电连接，其中，所述场效应管M1的漏极的上的电流为所述第一支路电流，所述场效应管M2的漏极的上的电流为所述第二支路电流。
其中，所述三极管Q1的发射极的电压为Vbeq1，所述电阻r3的第二端的电压为Vbeq2+Vr3，其中，Vbeq1＝Vbeq2+Vr3。由于晶体管中Vbe与电流关系如下所示：
本公式中k-玻尔兹曼常数，T-绝对温度，q-电荷常数，Is-为晶体管饱和电流，Ic-为集电极电流，在本公式中k/q/Is/Ic均可视为已知量，
故Vbeq1＝Vbeq2+Vr3
因为Iztat＝Vbg/r5
Iptat与温度成正比，Iztat与温度不相关；通过所述电压比较模块1(例如迟滞比较器)在一个时钟周期中，给电容C1充电放电电荷量相等，设时钟占空比为d，其中，
Iptat*d＝(Iztat-Iptat)*(1-d)；
d＝1-Iptat/Iztat。机所述时钟占空比与所述Iptat相关，即所述时钟占空比与温度相关。
在一些实施例中，所述第一电路支路包括多个并联的三极管Q1；和/或所述第二电路支路包括多个并联的三极管Q2。多个并联的三极管的各基极相电连接、各集电极相电连接以及各发射极相电连接。
进一步的，参阅图3，所述第二电流产生单元包括第三电路支路，所述第三电路支路产生所述第二电流，所述第三电路支路包括场效应管M3、电阻r4、电阻r5、电阻r6以及电容C2；其中，所述场效应管M3的漏极与所述场效应管M2的漏极电连接，所述场效应管M3的源极与所述电阻r4的第一端电连接，所述电阻r4的第二端与所述电阻r5的第一端电连接，所述电阻r5的第二端接地，所述电阻r6的第一端与所述场效应管M3的栅极电连接，所述电阻r6的第二端与所述电容C2的第一端电连接，所述电容C2的第二端与所述电阻r4的第一端电连接，所述第二电流产生单元还包括放大器OPA2，所述电阻r2的第一端与所述放大器OPA2的正极输入端电连接，所述放大器OPA2的负极输入端与所述电阻r4的第二端电连接，所述放大器OPA2的输出端与所述电阻r6的第一端电连接。
本发明利用所述电压比较模块1、电流产生模块2、电流电压转化模块3以及所述电平转换模块4实现了温度传感器的功能，在保证温度传感器检测精度的同时，节省了传统温度传感器中的ADC模块，降低温度传感器运行时的功耗，减小了面积。
在一些实施例中，所述温度传感器还包括与所述电压比较模块的输出端电连接的数字计算模块5，所述数字计算模块5用以根据所述电压信号的高电平、低电平以及时钟占空比获取关于所述电压信号的平均电压，且将所述平均电压转化为十进制数字输出。进一步参阅图4，显示为本发明的温度传感器在一具体实施例中的电路原理示意图。其中，所述数字计算模块5为图中的Digital_count，例如，根据所述电压信号的高电平、低电平以及时钟占空比获取关于所述电压信号的平均电压u，通过所述数字计算模块进行12bit十进制数字输出，即Dout＝4096*u。且可将该十进制的数字输出进行直观的温度显示。
综上所述，本发明提供一种温度传感器及陀螺仪，其中，所述温度传感器包括电压比较模块，用以根据预设的第一参考电压和第二参考电压对所述电压比较模块的输入端接收的与温度相关的输入电压进行比较，以在所述电压比较模块的输出端输出具有指定时钟周期且具有指定时钟占空比的电压信号，其中，所述第一参考电压小于所述第二参考电压。所述温度传感器还可包括电流产生模块电流电压转化模块以及电平转换模块。本发明的温度传感器利用所述电压比较模块替换传统的温度传感器的ADC模块，且利用电压比较模块、电流产生模块、电流电压转化模块以及所述电平转换模块实现了温度传感器的功能，在保证温度传感器检测精度的同时，节省了传统温度传感器中的ADC模块，降低温度传感器运行时的功耗，减小了面积。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 (6)
1.一种温度传感器，其特征在于，包括：
电压比较模块，用以根据预设的第一参考电压和第二参考电压对所述电压比较模块的输入端接收的与温度相关的输入电压进行比较，以在所述电压比较模块的输出端输出具有指定时钟周期且具有指定时钟占空比的电压信号，其中，所述第一参考电压小于所述第二参考电压；
电流产生模块，包括第一电流产生单元和第二电流产生单元，所述第二电流产生单元通过开关选择性的与所述第一电流产生单元电连接，其中，第一电流产生单元产生与温度相关的第一电流，第二电流产生单元产生与温度无关的第二电流；
电流电压转化模块，包括电流电压转化模块的第一端和电流电压转化模块的第二端，所述电流电压转化模块的第一端接地，所述电流电压转化模块的第二端与所述电压比较模块的输入端电连接，且所述电流电压转化模块的第二端还电连接于所述第一电流产生单元和所述开关之间；其中，所述电流电压转化模块，用以将流经所述电流电压转化模块的输入电流转化为所述输入电压；
电平转换模块，所述电平转换模块的第一端与所述电压比较模块的输出端电连接，所述第二电流产生单元通过所述开关选择性的与所述电平转换模块的第二端电连接，所述电平转换模块用以将所述电压信号转化为开关触发信号，以根据所述开关触发信号控制所述开关选择性的与所述第一电流产生单元或所述电平转换模块的第二端电连接，进而令所述第二电流产生单元通过所述开关与所述电平转换模块的第二端或所述第一电流产生单元电连接，以改变流经所述电流电压转化模块的所述输入电流；
所述第一电流产生单元包括第一电路支路和第二电路支路，其中，所述第一电路支路产生第一支路电流，所述第二电路支路产生第二支路电流，且所述第一支路电流和所述第二支路电流分别与所述第一电流正相关；所述第一电路支路包括晶体管Q1、电阻r1、以及场效应管M1，所述第二电路支路包括晶体管Q2、电阻r2、电阻r3以及场效应管M2，其中，所述晶体管Q1的集电极接地，所述晶体管Q1的发射极与所述电阻r1的第一端电连接，所述电阻r1的第二端与所述场效应管M1的源极电连接，所述场效应管M1的漏极与所述场效应管M2的漏极电连接，所述场效应管M2的栅极与所述场效应管M1的栅极电连接，所述场效应管M2的源极与所述电阻r2的第一端电连接，所述电阻r2的第二端与所述电阻r3的第一端电连接，所述电阻r3的第二端与所述晶体管Q2的发射极电连接，所述晶体管Q2的集电极接地，所述晶体管Q2的基极与所述晶体管Q1的基极电连接，其中，所述晶体管Q1的发射极的电压与所述电阻r3的第二端的电压相等，所述第一电流产生单元还包括放大器OPA1，所述晶体管Q1的发射极与所述放大器OPA1的负极输入端电连接，所述电阻r3的第一端与所述放大器OPA1的正极输入端电连接，所述放大器OPA1的输出端分别与所述场效应管M1的源极和所述场效应管M2的源极电连接，其中，所述场效应管M1的漏极电流为所述第一支路电流，所述场效应管M2的漏极电流为所述第二支路电流；
所述第一电路支路包括多个并联的晶体管Q1；和/或所述第二电路支路包括多个并联的晶体管Q2；
所述第二电流产生单元包括第三电路支路，所述第三电路支路产生所述第二电流，所述第三电路支路包括场效应管M3、电阻r4、电阻r5、电阻r6以及电容C2；其中，所述场效应管M3的漏极与所述场效应管M2的漏极电连接，所述场效应管M3的源极与所述电阻r4的第一端电连接，所述电阻r4的第二端与所述电阻r5的第一端电连接，所述电阻r5的第二端接地，所述电阻r6的第一端与所述场效应管M3的栅极电连接，所述电阻r6的第二端与所述电容C2的第一端电连接，所述电容C2的第二端与所述电阻r4的第一端电连接，所述第二电流产生单元还包括放大器OPA2，所述电阻r2的第一端与所述放大器OPA2的正极输入端电连接，所述放大器OPA2的负极输入端与所述电阻r4的第二端电连接，所述放大器OPA2的输出端与所述电阻r6的第一端电连接。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述电流电压转化模块包括电容C1，其中，在一个时钟周期中，通过所述输入电流对所述电容C1进行充电的充电电荷量和对所述电容C1进行放电的放电电荷量相等。
3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于，所述第二电流产生单元通过所述开关与所述电平转换模块的第二端电连接时，所述输入电流为所述第一电流，所述第二电流产生单元通过所述开关与所述第一电流产生单元电连接时，所述输入电流为所述第二电流减去所述第一电流。
4.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，所述电压信号的所述时钟占空比与所述第一电流相关。
5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述温度传感器还包括与所述电压比较模块的输出端电连接的数字计算模块，所述数字计算模块用以根据所述电压信号的高电平、低电平以及时钟占空比获取关于所述电压信号的平均电压，且将所述平均电压转化为十进制数字输出。
6.一种陀螺仪，其特征在于，包括：如权利要求1～5中任一项所述的温度传感器。
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