CN111351589A - 一种集成于cmos图像传感器的温度传感器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成于CMOS图像传感器的温度传感器及其控制方法,温度传感器包括温度转电压模块以及单积分型ADC模块;温度转电压模块包括比例电流生成电路,比例电流生成电路将电流源转换成两路具有固定比例的偏置电流,分别输入核心感温模块中两个NPN型双极晶体管的集电极,两个NPN型双极晶体管的基极‑发射极电压分别经过开关电容放大器采样后输入单积分型ADC模块,单积分型ADC模块将采样放大之后的模拟电压值进行量化并输出。本发明温度传感器的控制方法通过采用两次采样两次转换的方法,在不增加电路复杂程度的前提下提高了片上温度传感器的精度。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域,涉及一种集成于CMOS图像传感器的温度传感器及其控制方法。
背景技术
温度是影响集成电路工作性能的一个重要参数,尤其是模拟集成电路。在CMOS图像传感器中,环境温度变化会影响环境噪声、器件的暗电流及热噪声等。为了监测芯片内温度对暗电流的影响,以提高系统的可靠性,目前多采用集成式温度传感器。目前CMOS片上温度传感器主要实现方式可分为3大类:电压温度传感器,利用随温度而变的电压电源以及电压ADC将温度信号转换成数字值;频率温度传感器,传感器的输出频率随温度变化发生相应改变;时域温度传感器,延迟发生器生成一个数字脉冲,其延迟随温度变化发生相应改变。
现有集成于CMOS图像传感器的温度传感器电路存在结构复杂且精度不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中集成于CMOS图像传感器的温度传感器检测精度不足的问题,提供一种集成于CMOS图像传感器的温度传感器及其控制方法,在感温模块的输出端两次采样输出电压值,将第一次采样的电压值转换为数字码后取补码,并将得到的补码设置为第二次模数转换过程中数字码的起始值,消除了运算放大器失调电压、电路噪声及模数转换器失调电压的影响,在不增加电路复杂程度的前提下提高片上温度传感器的精度。
为了实现上述目的,本发明有如下的技术方案:
一种集成于CMOS图像传感器的温度传感器,包括温度转电压模块以及单积分型ADC模块;所述的温度转电压模块包括比例电流生成电路,比例电流生成电路将电流源Ibias转换成两路具有固定比例的偏置电流,分别输入核心感温模块中两个NPN型双极晶体管的集电极,两个NPN型双极晶体管的基极-发射极电压分别经过开关电容放大器采样后输入单积分型ADC模块,所述的单积分型ADC模块将采样放大之后的模拟电压值进行量化并输出。
作为本发明的一种优选实施方案,所述的开关电容放大器包括运算放大器,运算放大器的正输入端与共模电平VCM连接,两个NPN型双极晶体管的集电极分别经过第一信号选通开关和第二信号选通开关与第一电容的上极板相连,第一电容的下极板与运算放大器的负输入端相连,运算放大器的负输入端与输出端之间连接反馈开关,与反馈开关相并联的还设置有第二电容;所述运算放大器的输出端分两路连接单积分型ADC模块,两条电路上分别设置有第一输出信号读取开关以及第二输出信号读取开关,第三电容和第四电容的一端分别连接在运算放大器的两条输出电路上,第三电容和第四电容的另一端接地。
作为本发明的一种优选实施方案,第一信号选通开关、第二信号选通开关、反馈开关、第一输出信号读取开关以及第二输出信号读取开关采用NMOS和PMOS互补开关结构。
作为本发明的一种优选实施方案,单积分型ADC模块包括ADC使能信号EN及ADC计数器复位控制信号DIN_RST,当ADC使能信号EN为高时,单积分型ADC模块正常工作;通过配置ADC计数器复位控制信号DIN_RST能够配置单积分型ADC模块各位的初始值。
所述的比例电流生成电路采用共源共栅结构电流镜且采用PMOS输出。
作为本发明的一种优选实施方案,核心感温模块的两个NPN型双极晶体管采用两个尺寸相同的纵向寄生的晶体管,所述两个晶体管的基极和集电极相连、发射极接地电位。
本发明同时还提供了一种所述温度传感器的控制方法,包括以下步骤:
在温度转电压模块的输出端两次采样输出电压值,将第一次采样的电压值转换为数字码后取补码,并将得到的补码设置为第二次模数转换过程中数字码的起始值。
作为本发明控制方法的一种优选方案,在第一时刻,将开关电容放大器的第一信号选通开关、反馈开关以及第一输出信号读取开关从断开状态切换至闭合状态;待第一次采样阶段完成后,将反馈开关在第二时刻重新切换至断开状态,所述的第一输出信号读取开关在第三时刻重新切换至断开状态,第一信号选通开关在第四时刻切换至断开状态,所述的第四时刻晚于第三时刻;在第五时刻,将单积分型ADC模块的ADC使能信号EN切换至高电平,ADC计数器复位控制信号DIN_RST配置为全0,开始第一次模数转换阶段;待第一次模数转换完成后,所述的ADC使能信号EN重新切换为低电平;在第六时刻,将开关电容放大器的第二信号选通开关和第二输出信号读取开关同时切换至闭合状态,待第二次输出电压采样完成后,所述的第二输出信号读取开关在第七时刻切换至断开状态,第二信号选通开关在第八时刻切换至断开状态,所述的第八时刻晚于第七时刻;在第二次模数转换开始时,所述的ADC使能信号EN再次切换至高电平,ADC计数器复位控制信号DIN_RST配置为第一次转换数字码的补码;待第二次模数转换完成后,所述的ADC使能信号EN重新切换为低电平。
相较于现有技术,本发明集成于CMOS图像传感器的温度传感器具有如下有益效果:与其他温度传感器设计相比,本发明的电路结构简单,通过优化时序设计能够提高温度传感器的精度。本发明不需要增加额外的电路结构,由于需要进行两次转换过程,因此一个温度测试周期变长。但由于温度在自然中是一个变化非常缓慢的模拟信号,同时本发明所提供的片上集成温度传感器主要用来检测CMOS图像传感器芯片的环境温度,温度的变化速度也受热传导速度的限制,因此可以采用较长的测试周期来提高温度传感器的线性度。
相较于现有技术,本发明温度传感器的控制方法具有如下的有益效果:通过采用两次采样两次转换的方法,能够消除运算放大器失调电压、电路噪声及模数转换器失调电压等的影响,在不增加电路复杂程度的前提下提高了片上温度传感器的精度。
附图说明
图1本发明集成于CMOS图像传感器的温度传感器电路结构图;
图2本发明所设计控制方法的时序图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1,本发明集成于CMOS图像传感器的温度传感器包括温度转电压模块100以及单积分型ADC模块101,在感温模块中,比例电流生成电路将电流源Ibias转换成两路具有固定比例的偏置电流,分别输入核心感温模块103中两个NPN型双极晶体管的集电极。核心感温模块103利用两个工作在不同电流密度下的双极晶体管,其基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比。在不考虑基极电流的影响时,电压的差值是一个与工艺无关、与温度呈线性关系的变化量。核心感温模块103输出的两个基极-发射极电压分别经过开关电容放大器采样后输入单积分型ADC模块,将采样放大之后的模拟电压值进行量化,以便进行数字信号处理。
开关电容放大器包括运算放大器104,运算放大器104的正输入端与共模电平VCM连接,两个NPN型双极晶体管的集电极分别经过第一信号选通开关105和第二信号选通开关106与第一电容110的上极板相连,第一电容110的下极板与运算放大器104的负输入端相连,运算放大器104的负输入端与输出端之间连接反馈开关107,与反馈开关107相并联的还设置有第二电容111;运算放大器104的输出端分两路连接单积分型ADC模块101,两条电路上分别设置有第一输出信号读取开关108以及第二输出信号读取开关109,第三电容112和第四电容113的一端分别连接在运算放大器104的两条输出电路上,第三电容112和第四电容113的另一端接地。第一信号选通开关105、第二信号选通开关106、反馈开关107、第一输出信号读取开关108以及第二输出信号读取开关109采用NMOS和PMOS互补开关结构。比例电流生成电路102采用共源共栅结构电流镜且采用PMOS输出。核心感温模块103的两个NPN型双极晶体管采用两个尺寸相同的纵向寄生的晶体管,两个晶体管的基极和集电极相连、发射极接地电位。单积分型ADC模块101包括ADC使能信号EN及ADC计数器复位控制信号DIN_RST,当ADC使能信号EN为高时,单积分型ADC模块101正常工作;通过配置ADC计数器复位控制信号DIN_RST能够配置单积分型ADC模块101各位的初始值。
参见图2,本发明集成于CMOS图像传感器的温度传感器控制过程如下:
在第一次采样阶段,第一信号选通开关S1、反馈开关S3以及第一输出信号读取开关S4切换至闭合状态,第一电容110上极板采得第一NPN管114的基极—发射极电压,下极板因单位增益负反馈获得与放大器同相端相同的VCM电压。待第一次采样阶段完成后,反馈开关S3、第一输出信号读取开关S4以及第一信号选通开关S1重新切换至关断状态,在此过程中反馈开关S3以及第一输出信号读取开关S4的断开时间稍提前于第一信号选通开关S1,以减少沟道电荷注入对第一电容110产生的误差。在第一次转换阶段,单积分型ADC模块101的ADC使能信号EN切换至高电平,ADC计数器复位控制信号DIN_RST配置为全0,单积分型ADC模块101将第一次采用的模拟电压值VOUT1进行量化得到相应的数字输出码DOUT1。第一次转换阶段完成后,ADC使能信号EN重新切换为低电平。在第二次采样阶段,第二信号选通开关S2和第二输出信号读取开关S5切换至闭合状态,第一电容110的上极板采集得到第二NPN管115的基极-发射极电压,使部分存储在第一电容110上的电荷转移到第二电容111。待第二次采样阶段完成后,第二信号选通开关S2和第二输出信号读取开关S5重新切换至断开状态,在此过程中,第二输出信号读取开关S5的断开时间稍提前于第二信号选通开关S2,以减少沟道电荷注入在第一电容110产生的误差。在第二次转换阶段,单积分型ADC模块101的ADC使能信号EN切换至高电平,此时ADC计数器复位控制信号DIN_RST配置为第一转换阶段数字输出码DOUT1的补码。单积分型ADC模块101将第二次采样的模拟电压值VOUT2进行量化,此时数字输出码DOUT对应的模拟电压值为两次采样电压的差值。待第二次转换阶段完成后,单积分型ADC模块101的ADC使能信号EN重新切换至低电平。
通过采用两次采样两次转换的方法,可以消除运算放大器失调电压、电路噪声及模数转换器失调电压等的影响,在不增加电路复杂程度的前提下提高片上温度传感器的精度。
以上结合具体的优选实施方式对本发明做出了进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施方式仅限于此,对所属技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以设计若干简单的替换,都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (8)
1.一种集成于CMOS图像传感器的温度传感器,其特征在于:
包括温度转电压模块(100)以及单积分型ADC模块(101);所述的温度转电压模块(100)包括比例电流生成电路(102),比例电流生成电路(102)将电流源Ibias转换成两路具有固定比例的偏置电流,分别输入核心感温模块(103)中两个NPN型双极晶体管的集电极,两个NPN型双极晶体管的基极-发射极电压分别经过开关电容放大器采样后输入单积分型ADC模块(101),所述的单积分型ADC模块(101)将采样放大之后的模拟电压值进行量化并输出。
2.根据权利要求1所述集成于CMOS图像传感器的温度传感器,其特征在于:
所述的开关电容放大器包括运算放大器(104),运算放大器(104)的正输入端与共模电平VCM连接,两个NPN型双极晶体管的集电极分别经过第一信号选通开关(105)和第二信号选通开关(106)与第一电容(110)的上极板相连,第一电容(110)的下极板与运算放大器(104)的负输入端相连,运算放大器(104)的负输入端与输出端之间连接反馈开关(107),与反馈开关(107)相并联的还设置有第二电容(111);运算放大器(104)的输出端分两路连接单积分型ADC模块(101),两条电路上分别设置有第一输出信号读取开关(108)以及第二输出信号读取开关(109),第三电容(112)和第四电容(113)的一端分别连接在运算放大器(104)的两条输出电路上,第三电容(112)和第四电容(113)的另一端接地。
3.根据权利要求2所述集成于CMOS图像传感器的温度传感器,其特征在于:所述的第一信号选通开关(105)、第二信号选通开关(106)、反馈开关(107)、第一输出信号读取开关(108)以及第二输出信号读取开关(109)采用NMOS和PMOS互补开关结构。
4.根据权利要求1所述集成于CMOS图像传感器的温度传感器,其特征在于:所述的单积分型ADC模块(101)包括ADC使能信号EN及ADC计数器复位控制信号DIN_RST,当ADC使能信号EN为高时,单积分型ADC模块(101)正常工作;通过配置ADC计数器复位控制信号DIN_RST能够配置单积分型ADC模块(101)各位的初始值。
5.根据权利要求1所述集成于CMOS图像传感器的温度传感器,其特征在于:
所述的比例电流生成电路(102)采用共源共栅结构电流镜且采用PMOS输出。
6.根据权利要求1所述集成于CMOS图像传感器的温度传感器,其特征在于:
所述核心感温模块(103)的两个NPN型双极晶体管采用两个尺寸相同的纵向寄生的晶体管,所述两个晶体管的基极和集电极相连、发射极接地电位。
7.一种基于权利要求1-6中任意一项所述集成于CMOS图像传感器的温度传感器的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
在温度转电压模块(100)的输出端两次采样输出电压值,将第一次采样的电压值转换为数字码后取补码,并将得到的补码设置为第二次模数转换过程中数字码的起始值。
8.根据权利要求7所述的控制方法,其特征在于:在第一时刻,将开关电容放大器的第一信号选通开关(105)、反馈开关(107)以及第一输出信号读取开关(108)从断开状态切换至闭合状态;待第一次采样阶段完成后,将反馈开关(107)在第二时刻重新切换至断开状态,所述的第一输出信号读取开关(108)在第三时刻重新切换至断开状态,第一信号选通开关(105)在第四时刻切换至断开状态,所述的第四时刻晚于第三时刻;在第五时刻,将单积分型ADC模块(101)的ADC使能信号EN切换至高电平,ADC计数器复位控制信号DIN_RST配置为全0,开始第一次模数转换阶段;待第一次模数转换完成后,所述的ADC使能信号EN重新切换为低电平;在第六时刻,将开关电容放大器的第二信号选通开关(106)和第二输出信号读取开关(109)同时切换至闭合状态,待第二次输出电压采样完成后,所述的第二输出信号读取开关(109)在第七时刻切换至断开状态,第二信号选通开关(106)在第八时刻切换至断开状态,所述的第八时刻晚于第七时刻;在第二次模数转换开始时,所述的ADC使能信号EN再次切换至高电平,ADC计数器复位控制信号DIN_RST配置为第一次转换数字码的补码;待第二次模数转换完成后,所述的ADC使能信号EN重新切换为低电平。
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