CN110849493A - 一种温度检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路领域，公开了一种温度检测电路，该电路包括电阻器，受控电阻串，比较器和控制逻辑；电阻器的一端连接固定电平和比较器的正向输入端,另一端连接比较器的负向输入端和受控电阻串的一端，比较器输出端连接控制逻辑的输入端，控制逻辑输出端连接受控电阻的数字控制输入端同时作为温度检测结果输出；比较器的输入失调电压与温度成正比例关系，根据输入失调电压即可得到温度检测的结果。本发明电路只包括MOS管和电阻器件，可以在CMOS工艺下实现，无需专门设计温度传感电路，无需模数转换电路，降低了电路的复杂度，有效减小电路面积和成本。

Description

一种温度检测电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种温度检测电路。

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。温度传感器电路是使用非常广泛的一种电路，随着近年来人工智能领域的兴起，温度传感器作为基本构成元件，市场需求不断扩大。同时，温度对芯片性能具有较大影响，芯片逻辑系统在温度超限的情况下，容易产生错误的时序或翻转，进入异常工作状态，造成内部数据错误、操作错误，或存储器内容的异常读出错误，导致内部信息泄露。温度检测电路实时检测芯片内部温度，温度超限时产生报警信号，能够有效防止错误产生，确保芯片系统安全。

图1为传统的温度检测电路的电路图，该电路包括温度相关电压生成电路110、参考电压模块120和模数转换器模块130；温度相关电压生成电路110产生于温度相关的电信号，其电压VT可与温度成正相关也可以与温度成负相关关系，参考电压模块120输出参考电压信号VREF，模数转换器依据参考电压VREF对VT进行量化，输出检测结果。传统的温度传感器大多使用Sigma-Delta ADC实现转换，其具有高分辨率高精度等特点，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，转换时间较长。

传统的温度检测电路中，通常通过三极管器件产生温度相关的电压，参考专利CN103063317B中，利用两个面积不同的三极管产生与温度成正比例的电流，该电流再驱动三极管产生与温度成反比例的电压VBE，电路中加入了斩波技术消除电路中的失配和噪声，实现了对工艺偏差的补偿。

现有的温度检测电路中，通常采用模数转换器对温度相关的电压进行转换输出数字码，参考专利CN 108204862A中，通过逐次逼近控制电路实现对与温度相关基准电压VBE的数字化量化，其中基准电压为芯片的一个随温度线性变化的电压。但是，电路中需要基准电压VBE生成单元。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种在标准CMOS工艺下实现的高精度温度检测电路，该电路中无需单独涉及温度传感电路。

本发明采用的技术方案如下：一种温度检测电路，包括：电阻器、受控电阻串、比较器和控制逻辑；

所述电阻器的一端连接固定电平和比较器的正向输入端,另一端连接比较器的负向输入端和受控电阻串的一端；

所述比较器的输出端连接控制逻辑的输入端，所述控制逻辑的输出端连接受控电阻串的数字控制输入端，同时所述控制逻辑的输出端输出温度检测结果；

所述比较器的输入失调电压与温度成正比例关系，根据电路中比较器的输入失调电压计算得出温度检测结果。

进一步的，所述比较器的输入对管为NMOS器件并且工作在亚阈值区域，所述输入对管的尺寸比例为N：1，所述N大于0。

进一步的，所述比较器的输入对管为PMOS器件并且工作在亚阈值区域，所述输入对管的尺寸比例为N：1，所述N大于0。

进一步的，所述输入失调电压计算式为ξV_TlnN，其中ξ为比较器亚阈值导电系数，V_T为热电压且与温度线性相关，N为输入对管尺寸比例。

进一步的，所述控制逻辑采用逐次逼近算法对受控电阻串进行控制。

进一步的，所述温度检测电路，在一次检测完成后，所述电阻器上的电压与比较器的输入失调电压相等。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明中的温度检测电路只包括MOS管和电阻器件，不需要额外的三极管、二极管等特殊器件，可以在标准CMOS工艺下实现；同时，本发明一种温度检测电路无需专门设计温度传感电路，无需模数转换电路，降低了电路的复杂度，有效减小电路面积和成本。

附图说明

图1是温度检测电路现有技术的示意图；

图2是本发明一种温度检测电路的示意图；

图3是本发明一实施例提供的温度检测电路的电路图；

图4是本发明一实施例提供的温度检测电路的电路图。

附图标记：110-温度相关电压生成电路，120-参考电压模块，130-模数转换器模块，210-电阻器，220-受控电阻串，230-比较器，240-控制逻辑，321b、322b…32nb-MOS管，321a、322a…32na-电阻器，331、332、336和337-NMOS管，333、334和335-PMOS管，421b、422b…42nb-MOS管，421a、422a…42na-电阻器，431、432、436和437-PMOS管，433、434和435-NMOS管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

如图2所示，本发明的一种温度检测电路。该电路包括电阻器210，受控电阻串220，比较器230和控制逻辑240。

电阻器210的一端连接固定电平和比较器的正向输入端,另一端连接比较器230的负向输入端和受控电阻串220的一端，比较器230输出端连接控制逻辑240的输入端，控制逻辑240输出端连接受控电阻220的数字控制输入端，同时控制逻辑240输出端作为温度检测结果的输出T_CODE。在一次电路温度检测完成后，电阻器210上的电压与比较器的输入失调电压相等。

其中，控制逻辑电路240为逐次逼近逻辑，对应的受控电阻串220中的电阻221，电阻222…电阻22n的权重分别为1、2…2^n-1。

实施例2

优选地，如图3所示，本发明一实施例提供的温度检测电路图，电路由电阻器210，受控电阻串220，比较器230和控制逻辑240构成。其中受控电阻串220由MOS管321b、322b…32nb和电阻器321a、322a…32na组成,MOS管321b、322b…32nb的源极和漏极依次串联，并且分别依次与电阻器321a、322a…32na两端相连，栅极连接控制逻辑240输出端。

比较器230由NMOS管331、332、336和337以及PMOS管333、334和335组成，NMOS管331和332为比较器230的输入对管，其源极互相连接并同时连接到NMOS管336的漏极，其漏极分别与PMOS管333、334的漏极相连,332的栅极连接电阻210的一端并与电源电压VDD相连，331的栅极连接电阻210的另一端并与受控电阻220的一端相连。PMOS管333、334的源极连接电源VDD，其栅极相连并同时连接到333的漏极，334的漏极连接PMOS管335的栅极，PMOS管335的源极连接电源VDD，漏极连接NMOS管337的漏极并作为比较器的输出。NMOS管336和337的源极接地，栅极与偏置电压VBN相连为电路提供偏置电流。

其中比较器230的输入对管331和332的尺寸成一定比例，331为332的N倍，由此可以计算出由尺寸比例带来的比较器的输入失调电压为ξV_TlnN，其中ξ为MOS器件亚阈值导电系数，V_T为热电压与温度线性相关，由此，比较器的输入失调电压与温度成正比。

其中逻辑控制电路240采用逐次逼近算法对受控电阻串220进行控制。

当环境温度为T时，控制逻辑电路的输出T_CODE的最高位n为高电平，其余比特位为低电平，控制受控电阻220中的MOS管32nb开启，使电阻32na的两端电位相同，此时受控电阻等效为T_CODE×R_LSB(R_LSB为控制电路最低位控制的电阻阻值),电阻210上的电压可以计算出为VDD×R₂₁₀/(T_CODE×R_LSB),当比较器230的输入失调电压ξV_TlnN高于电阻210上的电压时，比较器230输出高电平，T_CODE的最高位n锁定为高电平，当比较器230的输入失调电压ξV_TlnN低于电阻210上的电压时，比较器230输出低电平，T_CODE的最高位n锁定为低电平。控制逻辑电路240的输出T_CODE的次高位n-1为高电平，最高位电平已在前一个时钟周期确定，其余低位均为低电平，控制受控电阻220中的MOS管(32n-1)b开启，使电阻32(n-1)a的两端电位相同，此时受控电阻等效为T_CODE×RLSB,电阻210上的电压可以计算出为VDD×R₂₁₀/(T_CODE×R_LSB),当比较器的输入失调电压ξV_TlnN高于电阻210上的电压时，比较器输出高电平，T_CODE的次高位n-1锁定为高电平，当比较器的输入失调电压ξV_TlnN低于电阻210上的电压时，比较器输出低电平，T_CODE的次高位n-1锁定为低电平。如此依次判断出逻辑控制电路各个比特位输出电平，最终可以根据T_CODE数字计算出温度。其中R210为电阻210的阻值，R_LSB为受控电阻中最小电阻320a的阻值，它们为同类型电阻，从温度计算公式可以看出其温度系数可以抵消。

实施例3

优选地，如图4所示，本发明一实施例提供的温度检测电路图，电路由电阻器210，受控电阻220，比较器230和控制逻辑240构成。其中受控电阻220由MOS管421b、422b…42nb和电阻器421a、422a…42na组成,MOS管421b、422b…42nb的源极和漏极依次串联，并且分别依次与电阻421a、422a…42na两端相连，栅极连接控制逻辑240输出端。比较器230由PMOS管431、432、436和437以及NMOS管433、434和435组成，PMOS管431和432为比较器的输入对管，其源极互相连接并同时连接到PMOS管436的漏极，431的漏极与NMOS管433的漏极相连,432的漏极与NMOS管434的漏极相连，431的栅极连接电阻210的一端并与参考电压VREF相连，432的栅极连接电阻210的另一端并与受控电阻220的一端相连。NMOS管433、434的源极连接电源VDD，其栅极互相连接并同时连接到433的漏极，434的漏极连接PMOS管435的栅极，NMOS管435的源极连接地，漏极连接PMOS管437的漏极并作为比较器的输出。PMOS管436和437的源极连接电源VDD，栅极与偏置电压VBP相连为电路提供偏置电流。

其中比较器230的输入对管431和432的尺寸成一定比例，432为431的N倍，由此可以计算出由尺寸比例带来的比较器的输入失调电压为ξV_TlnN，其中ξ为MOS器件亚阈值导电系数，V_T为热电压与温度线性相关，由此，比较器的输入失调电压与温度成正比。

其中逻辑控制电路240采用逐次逼近算法对受控电阻串220进行控制。

当环境温度为T时，控制逻辑电路240的输出T_CODE的最高位n为高电平，其余比特位为低电平，控制受控电阻220中的MOS管42nb开启，使电阻42na的两端电位相同，此时受控电阻等效为T_CODE×R_LSB,电阻210上的电压可以计算出为V_REF×R₂₁₀/(T_CODE×R_LSB),当比较器230的输入失调电压ξV_TlnN高于电阻210上的电压时，比较器230输出高电平，T_CODE的最高位n锁定为高电平，当比较器230的输入失调电压ξV_TlnN低于电阻210上的电压时，比较器230输出低电平，T_CODE的最高位n锁定为低电平。控制逻辑电路的输出T_CODE的次高位n-1为高电平，最高位电平已在前一个时钟周期确定，其余低位均为低电平，控制受控电阻220中的MOS管(42n-1)b开启，使电阻42(n-1)a的两端电位相同，此时受控电阻等效为T_CODE×R_LSB,电阻210上的电压可以计算出为V_REF×R₂₁₀/(T_CODE×R_LSB),当比较器230的输入失调电压ξV_TlnN高于电阻210上的电压时，比较器230输出高电平，T_CODE的次高位n-1锁定为高电平，当比较器230的输入失调电压ξV_TlnN低于电阻210上的电压时，比较器230输出低电平，T_CODE的次高位n-1锁定为低电平。如此依次判断出逻辑控制电路各个比特位输出电平，最终可以根据T_CODE数字计算出温度

其中R₂₁₀为电阻210的阻值，R_LSB为受控电阻串220中最小电阻320a的阻值，它们为同类型电阻，从温度计算公式可以看出其温度系数可以抵消。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种温度检测电路，其特征在于，包括：电阻器、受控电阻串、比较器和控制逻辑；

所述电阻器的一端连接固定电平和比较器的正向输入端,另一端连接比较器的负向输入端和受控电阻串的一端；

所述比较器的输出端连接控制逻辑的输入端，所述控制逻辑的输出端连接受控电阻串的数字控制输入端，同时所述控制逻辑的输出端输出温度检测结果；

所述比较器的输入失调电压与温度成正比例关系，根据电路中比较器的输入失调电压计算得出温度检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种温度检测电路，其特征在于：所述比较器的输入对管为NMOS器件并且工作在亚阈值区域，所述输入对管的尺寸比例为N：1，所述N大于0。

3.根据权利要求1所述的一种温度检测电路，其特征在于：所述比较器的输入对管为PMOS器件并且工作在亚阈值区域，所述输入对管的尺寸比例为N：1，所述N大于0。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种温度检测电路，其特征在于：所述输入失调电压计算式为ξV_TlnN，其中ξ为比较器亚阈值导电系数，V_T为热电压，N为比价器输入对管的尺寸比例。

5.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种温度检测电路，其特征在于：所述控制逻辑采用逐次逼近算法对受控电阻串进行控制。

6.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种温度检测电路，其特征在于：所述温度检测电路，在一次检测完成后，所述电阻器上的电压与比较器的输入失调电压相等。

Images