CN112781743A - 一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路及其工作方法，属于集成电路设计领域。带隙基准模块产生带隙基准电压VBG并输入到PTAT电流源及参考电流源；PTAT电流源产生正温度系数电流IPTAT；参考电流源产生电流IR；镜像电流源由N个从参考电流源镜像而来的比例电流IN、IN‑1、……、I1组成，并分别由开关SN、SN‑1、……、S1控制其打开或闭合，镜像电流源流出的总电流为IM；电流比较器对电流IM+IPTAT与电流IR进行比较，并输出比较结果；逐次逼近寄存器共N位，当所有开关的状态被确认后，可认为此时IM+IPTAT＝IR，此时逐次逼近寄存器输出对应的十进制CODE值可用作表示当前的IPTAT/IR，由于IPTAT/IR包含固定的温度系数，根据两次测量得到的CODE差值即可得到两次测量的温度差。

Description

一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路及其工作方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，特别涉及一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路及其工作方法，属于SoC的技术领域。
背景技术
随着集成电路的快速发展，电路的规模及功耗越来越大；同时电路系统所处的工作环境温度范围也较为广泛；此外，部分电路还需要跟踪温度变化实现温度补偿或热管理，基于以上监控芯片内核的温度变化变得尤为重要，因此易于集成的CMOS温度传感器得到了广泛的应用。
传统的CMOS温度传感器电路设计通常先将温度转换为模拟信号，再通过高精度模数转换器电路得到数字信号。温度传感器的结构较复杂、功耗及面积较大，然而对大部分SoC芯片而言，温度传感器模块仅需对内核的温度进行监控并保障主体电路的良好运行。
温度传感器的精度要求并不高，设计高精度的温度传感器反而带来了设计复杂性和成本问题，因此折中设计一种相对低精度、低成本的CMOS温度传感器可以为许多中低精度的温度感知场景带来便利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路及其工作方法，以解决现有温度传感器成本较高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路，包括：
带隙基准模块，用于带隙基准电压VBG；
PTAT电流源，用于产生正温度系数电流IPTAT；
参考电流源，通过带隙基准电压VBG得到参考电流IR；
镜像电流源，由N个从参考电流源镜像而来的比例电流IN、IN-1、……、I1组成，其电流大小有参考电流IR＝2*IN＝22*IN-1＝……＝2N*I1，并分别由开关SN、SN-1、……、S1控制其打开或闭合，镜像电流源流出的总电流为IM；
电流比较器，对电流IM+IPTAT与电流IR进行比较，并输出比较结果，当IR大于IM+IPTAT时，电流比较器输出0，反之则输出1；
逐次逼近寄存器，逐次确定开关SN、SN-1、……、S1的状态，当所有开关的状态被确认后，将逐次逼近寄存器的输出CODE值用来表示此时的IPTAT/IR。
可选的，所述带隙基准模块通过将三极管的负温度系数电压VBE与流过不同电流的两个三极管之间的正温度系数电压ΔVBE相加并控制加权比，产生温度系数良好的带隙基准电压VBG。
可选的，所述PTAT电流源通过将带隙基准电压VBG减去负温度系数电压VBE得到正温度系数电压，产生正温度系数电流IPTAT＝(VBG-VBE)/R1；VBE为三极管的负温度系数电压，R1为PTAT电流源中的电阻。
可选的，所述参考电流IR＝VBG/R2；R2为参考电流源中的电阻，其阻值与R1相等。
本发明还提供了一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路的工作方法，包括：
步骤1、在镜像电流源中将开关SN闭合，其余的低位开关打开；
步骤2、电流比较器对比IR与IM+IPTAT，输出比较结果，当IR大于IACC+IPTAT时，电流比较器输出0，反之则输出1；
步骤3、逐次逼近寄存器根据电流比较器的输出确定开关SN的最终状态：当电流比较器输出为0时，则开关SN闭合，否则应开关SN打开；
步骤4、保持开关SN状态不变，将开关SN-1闭合，其余的低位开关打开，根据电流比较器的输出确定SN-1的最终状态：当电流比较器输出为0时，则开关SN-1闭合，否则应将开关SN-1打开；
步骤5、保持SN-1状态不变，逐次确定SN-2、……、S1的最终状态，并记录此时逐次逼近寄存器的CODE值，计作CODEREF；
步骤6、当SoC电路的温度发生变化时，重复步骤1-步骤5，并记录此时CODE值，计算CODEX；
步骤7、根据CODEREF与CODEX的差值，换算出两次测量的温度差。
在本发明提供的应用于SoC的CMOS温度传感器电路及其工作方法中，CMOS温度传感器电路包括带隙基准模块、PTAT电流源、参考电流源、镜像电流源、电流比较器及逐次逼近寄存器。带隙基准模块产生带隙基准电压VBG并输入到PTAT电流源及参考电流源；PTAT电流源产生正温度系数电流IPTAT；参考电流源产生电流IR；镜像电流源由N个从参考电流源镜像而来的比例电流IN、IN-1、……、I1组成，其电流大小有IR＝2*IN＝22*IN-1＝……＝2N*I1，并分别由开关SN、SN-1、……、S1控制其打开或闭合，镜像电流源流出的总电流为IM；电流比较器对电流IM+IPTAT与电流IR进行比较，并输出比较结果；逐次逼近寄存器共N位，分别对应于开关SN、SN-1、……、S1，结合电流比较器从高到低逐次确定开关SN、SN-1、……、S1的状态，当所有开关的状态被确认后，可认为此时IM+IPTAT＝IR，此时逐次逼近寄存器输出对应的十进制CODE值可用作表示当前的IPTAT/IR，由于IPTAT/IR包含固定的温度系数，根据两次测量得到的CODE差值即可得到两次测量的温度差。
附图说明
图1是本发明提供的应用于SoC的CMOS温度传感器电路结构示意图；
图2是本发明提供的PTAT电流源结构示意图；
图3是本发明提供的参考电流源结构示意图；
图4是本发明提供的镜像电流源结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路及其工作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路，能够以N位数字码表示SoC内核的温度，其整体示意图如图1所示，CMOS温度传感器电路包括带隙基准模块11、PTAT电流源12、参考电流源13、镜像电流源14、电流比较器15和逐次逼近寄存器16。
所述带隙基准模块11产生温度系数良好的带隙基准电压VBG并输入到PTAT电流源12及参考电流源13中。如图2所示，所述PTAT电流源12产生正温度系数电流IPTAT；如图3所示，所述参考电流源13产生电流IR；如图4所示，所述镜像电流源14由N个从参考电流源镜像而来的比例电流IN、IN-1、……、I1组成，其电流大小有IR＝2*IN＝22*IN-1＝……＝2N*I1，并分别由开关SN、SN-1、……、S1控制其打开或闭合，镜像电流源14流出的总电流为IM。所述电流比较器15对电流IM+IPTAT与电流IR进行比较，并输出比较结果；所述逐次逼近寄存器16结合电流比较器15从高到低逐次确定开关SN、SN-1、……、S1的状态，当所有开关的状态被确认后，逐次逼近寄存器的输出CODE值即可用作表示此时的IPTAT/IR，由于IPTAT/IR包含固定的温度系数，根据两次测量得到的CODE差值即可得到两次测量的温度差。
所述应用于SoC的CMOS温度传感器电路中，由于IM的最大值为IM，max＝IN+IN-1+……I1≈IR，IM的最小值为IM，min＝0，同时IPTAT<IR，必然有IPTAT+IM，min<IR<IPTAT+IM，max，从而IM有解；
进一步的，所述应用于SoC的CMOS温度传感器电路中，开关SN、SN-1、……、S1分别控制二进制大小的电流源IN、IN-1、……、I1，并且有IR＝2*IN＝22*IN-1＝……＝2N*I1，当所有开关SN、SN-1、……、S1的状态被确认后，IM+IPTAT逼近于电流IR，理想地，忽略N位电流源的量化误差，可认为此时IM+IPTAT＝IR。更进一步的，所述PTAT电流源12输出电流IPTAT与所述参考电流源13输出电流IR的比值与绝对温度成正比例，而当所有开关的状态被确认后，逐次逼近寄存器的输出对应的十进制CODE值即可用作表示此时的IPTAT/IR，分别记录两次累加器的输出码CODE，即可将输出码的差值转换为温度变化值。
具体的：
Figure BDA0002894030250000041
Figure BDA0002894030250000042
而当所有开关的状态被确认后，可认为IR＝IPTAT+IM＝IPTAT+(CODEREF/2N)*IR，其中CODEREF为此时逐次逼近寄存器输出对应的十进制CODE值，从而此时的IPTAT/IR为：
Figure BDA0002894030250000051
当SoC电路的温度发生变化时，重复所述步骤1-步骤5，当所有开关的状态被确认后，得到此时累加器输出CODEX，从而此时的IPTAT/IR为：
Figure BDA0002894030250000052
从而
Figure BDA0002894030250000053
所述CMOS温度传感器可以根据两次测量的CODE变化换算出温度变化，由于有限的位数N将导致量化误差，为了保证CMOS温度传感器的精度，N需尽量取较大的值，如N＝7，8...；理论上，N的值越大，CMOS温度传感器的精度越高。
可在芯片处于低功耗或关断模式下记录此时的CODEREF值，此时由于电路功耗很低，可认为芯片的温度即环境温度TA，从而在芯片正常工作时通过对比CODE的差值可以得到此时芯片的实际温度值。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于SoC的CMOS温度传感器电路，其特征在于，包括：
带隙基准模块，用于带隙基准电压VBG；
PTAT电流源，用于产生正温度系数电流IPTAT；
参考电流源，通过带隙基准电压VBG得到参考电流IR；
镜像电流源，由N个从参考电流源镜像而来的比例电流IN、IN-1、……、I1组成，其电流大小有参考电流IR＝2*IN＝22*IN-1＝……＝2N*I1，并分别由开关SN、SN-1、……、S1控制其打开或闭合，镜像电流源流出的总电流为IM；
电流比较器，对电流IM+IPTAT与电流IR进行比较，并输出比较结果，当IR大于IM+IPTAT时，电流比较器输出0，反之则输出1；
逐次逼近寄存器，逐次确定开关SN、SN-1、……、S1的状态，当所有开关的状态被确认后，将逐次逼近寄存器的输出CODE值用来表示此时的IPTAT/IR。
2.如权利要求1所述的应用于SoC的CMOS温度传感器电路，其特征在于，所述带隙基准模块通过将三极管的负温度系数电压VBE与流过不同电流的两个三极管之间的正温度系数电压ΔVBE相加并控制加权比，产生温度系数良好的带隙基准电压VBG。
3.如权利要求1所述的应用于SoC的CMOS温度传感器电路，其特征在于，所述PTAT电流源通过将带隙基准电压VBG减去负温度系数电压VBE得到正温度系数电压，产生正温度系数电流IPTAT＝(VBG-VBE)/R1；VBE为三极管的负温度系数电压，R1为PTAT电流源中的电阻。
4.如权利要求3所述的应用于SoC的CMOS温度传感器电路，其特征在于，所述参考电流IR＝VBG/R2；R2为参考电流源中的电阻，其阻值与R1相等。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述CMOS温度传感器电路的工作方法，其特征在于，包括：
步骤1、在镜像电流源中将开关SN闭合，其余的低位开关打开；
步骤2、电流比较器对比IR与IM+IPTAT，输出比较结果，当IR大于IACC+IPTAT时，电流比较器输出0，反之则输出1；
步骤3、逐次逼近寄存器根据电流比较器的输出确定开关SN的最终状态：当电流比较器输出为0时，则开关SN闭合，否则应开关SN打开；
步骤4、保持开关SN状态不变，将开关SN-1闭合，其余的低位开关打开，根据电流比较器的输出确定SN-1的最终状态：当电流比较器输出为0时，则开关SN-1闭合，否则应将开关SN-1打开；
步骤5、保持SN-1状态不变，逐次确定SN-2、……、S1的最终状态，并记录此时逐次逼近寄存器的CODE值，计作CODEREF；
步骤6、当SoC电路的温度发生变化时，重复步骤1-步骤5，并记录此时CODE值，计算CODEX；
步骤7、根据CODEREF与CODEX的差值，换算出两次测量的温度差。
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