CN112865789B - 一种超低功耗数字温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低功耗数字温度传感器，包括环形振荡器、采样元件、占空比控制器和计数器；所述环形振荡器的输出端连接计数器的时钟输入端；所述采样元件的输出端连接占空比控制器的输入端；所述占空比控制器的一个输出端连接计数器的复位输入端，占空比控制器的另一个输出端连接采样元件的复位输入端。本发明利用栅极泄漏电流驱动感温元件和采样元件，实现超低功耗工作。在保证低于nW的功耗下，同时降低了每次转换的能耗，优化了分辨率FoM，解决了低功耗和低能耗之间的矛盾关系。

Description

一种超低功耗数字温度传感器
技术领域
本发明属于集成电路，具体涉及一种超低功耗数字温度传感器。
背景技术
随着物联网的快速发展，无线传感器网络在医疗保健，危险环境监控等新兴应用中显示出巨大潜力。在各种传感器模式中，温度传感是物联网系统芯片(SoC)在健康，环境和结构监测中的一项关键功能。这些应用中的SoC越来越多地使用能量收集来补充或替代电池，以进行长期连续感测，因此这些系统必须在能量收集期间支持nW级别的低功率操作，以及在通过存储的能量供电时支持pJ级别的低能耗操作。
直到最近，片上温度传感器的功耗和能耗都比这些要求高几个数量级。一种降低功耗的方法是利用惠斯通电桥和异步SARADC，获得了低于nW的功耗。但是确是以低转换速率和繁重的占空比为代价的，这导致能耗增加。相反，通过放大采样频率到高采样频率来实现每次转换的pJ级别的低能耗操作，这将使能耗增加到数百nW。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种实现在功耗降低到nW级别的同时，确保每次转换的能耗达到pJ级别的超低功耗数字温度传感器。
技术方案：本发明包括环形振荡器、采样元件、占空比控制器和计数器；所述环形振荡器的输出端连接计数器的时钟输入端；所述采样元件的输出端连接占空比控制器的输入端；所述占空比控制器的一个输出端连接计数器的复位输入端，占空比控制器的另一个输出端连接采样元件的复位输入端。
所述环形振荡器包括首尾相连的第一反相器、第二反相器和第三反相器，且第三反相器的输出端连接第一反相器的输入端，构成环形连接；
还包括第一NMOS晶体管，所述第一NMOS晶体管的栅极接电源；第一NMOS晶体管的源极、漏极和衬底相连接后，再与三个反相器的电源端连接。
所述采样元件的第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管的源极共同接电源VDD；所述第一、第二、第三PMOS晶体管的栅极相连接后，与第一自偏置放大器的输出端相连接。
所述第一PMOS晶体管的漏极分别与第一自偏置放大器AMP的正向输入端、可变电阻阵列的一端连接。
所述采样元件还包括第二NMOS晶体管，第二NMOS晶体管的漏极和栅极相连接后，与第二PMOS晶体管MP2的漏极相连接；所述第二NMOS晶体管的源极接地；第二NMOS晶体管MN2的栅极接偏置电压。
所述第三PMOS晶体管的漏极与第三NMOS晶体管的漏极、第一电容的上极板、第一比较的正向输入端连接；所述采样元件的复位输入端与第三NMOS晶体管的栅极连接；所述第一比较器COMP的输出端为采样元件的输出端。
所述可变电阻阵列包括多组结构相同的晶体管单元，且彼此相互并联。
所述晶体管单元包括第四PMOS晶体管和第四反相器，第四PMOS晶体管的源极、漏极和衬底相连接后，再与第四反相器的输出端连接。
所述四PMOS晶体管的栅极与可变电阻阵列的输出端连接。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：利用栅极泄漏电流驱动感温元件和采样元件，实现超低功耗工作。在保证低于nW的功耗下，同时降低了每次转换的能耗，优化了分辨率FoM，解决了低功耗和低能耗之间的矛盾关系。
附图说明
图1为本发明的主体电路框图；
图2为图1中环形振荡器的电路结构示意图；
图3为图1中采样元件的电路结构示意图；
图4为图1中可变电阻阵列的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，本发明包括环形振荡器、采样元件、占空比控制器和计数器。环形振荡器的FOUT输出端连接计数器的时钟输入端；采样元件的TOUT输出端连接占空比控制器的输入端；占空比控制器的一个输出端连接计数器的复位输入端，向其输出复位信号RST1；占空比控制器的另一个输出端连接采样元件的复位输入端，向其输出复位信号RST2。
如图2所示，环形振荡器包括第一NMOS晶体管MN1、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3。其中，第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3首尾相连，第三反相器INV3的输出端接第一反相器INV1的输入端，构成环形连接；第一NMOS晶体管MN1的栅极接电源VDD；第一NMOS晶体管MN1的源极、漏极和衬底相连接后，再与三个反相器的电源端相连接。
如图3所示，采样元件包括第一PMOS晶体管MP1、第二PMOS晶体管MP2、第三PMOS晶体管MP3、第二NMOS晶体管MN2、第三NMOS晶体管MN3、第一电容CL、第一自偏置放大器AMP、第一比较器COMP和可变电阻阵列。其中，第一PMOS晶体管MP1的源极、第二PMOS晶体管MP2的源极、第三PMOS晶体管MP3的源极共同接电源VDD；第一PMOS晶体管MP1的栅极、第二PMOS晶体管MP2的栅极、第三PMOS晶体管MP3的栅极相连接后，与第一自偏置放大器AMP的输出端相连接；第一PMOS晶体管MP1的漏极与第一自偏置放大器AMP的正向输入端、可变电阻阵列的一端相连接；可变电阻阵列的另一端与使能端EN相连接第一自偏置放大器AMP的反向输入端接参考电压VREF。第二NMOS晶体管MN2的漏极和栅极相连接后，与第二PMOS晶体管MP2的漏极相连接；第二NMOS晶体管MN2的源极接地；第二NMOS晶体管MN2的栅极接偏置电压VBN。第三PMOS晶体管MP3的漏极与第三NMOS晶体管MN3的漏极、第一电容CL的上极板、第一比较器COMP的正向输入端相连接；第三NMOS晶体管MN3的源极和第一电容CL的下极板共同接地；第一比较器COMP的反向输入端接参考电压VREF；第一比较器COMP的输出端为采样元件的TOUT输出端；采样元件的复位输入信号RST2与第三NMOS晶体管MN3的栅极相连接。本实施例中，采用张弛振荡器作为采样元件。
如图4所示，可变电阻阵列包括三十组结构相同的晶体管单元，且彼此相互并联。其中，晶体管单元包括第四PMOS晶体管MP4和第四反相器INV4，第四PMOS晶体管MP4的栅极与可变电阻阵列的输出端相连接；第四PMOS晶体管MP4的源极、漏极和衬底相连接后，再与第四反相器INV4的输出端相连接；第四反相器INV4的电源端接参考电压VREF；第四反相器INV4的输入端与使能输入信号EN相连接。
本发明采用基于栅极泄漏电流驱动的环形振荡器产生与温度成正比的FOUT频率输出，在采样期间，计数器对FOUT进行计数。而基于栅极泄漏电流IPTAT的偏置对张弛振荡器中的电容CL充电，直到超过VREF，第一比较器COMP切换与温度成反比的TOUT输出，占空比控制器对张弛振荡器进行占空比处理，并复位数字计数器。因此利用栅极泄漏电流驱动感温元件和采样元件，实现了低功耗操作；基于与温度成正比的感温信号FOUT和与温度成反比的采样信号TOUT，实现了低能耗操作，同时提高了分辨率FoM。

Claims (5)

1.一种超低功耗数字温度传感器，其特征在于：包括环形振荡器、采样元件、占空比控制器和计数器；所述环形振荡器的输出端连接计数器的时钟输入端；所述采样元件的输出端连接占空比控制器的输入端；所述占空比控制器的一个输出端连接计数器的复位输入端，占空比控制器的另一个输出端连接采样元件的复位输入端；
所述采样元件的第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管的源极共同接电源VDD；所述第一、第二、第三PMOS晶体管的栅极相连接后，与第一自偏置放大器的输出端相连接；
所述第一PMOS晶体管的漏极分别与第一自偏置放大器AMP的正向输入端、可变电阻阵列的一端连接；
所述采样元件还包括第二NMOS晶体管，第二NMOS晶体管的漏极和栅极相连接后，与第二PMOS晶体管的漏极相连接；所述第二NMOS晶体管的源极接地；第二NMOS晶体管的栅极接偏置电压；
所述第三PMOS晶体管的漏极与第三NMOS晶体管的漏极、第一电容的上极板、第一比较器COMP的正向输入端连接；所述采样元件的复位输入端与第三NMOS晶体管的栅极连接；所述第一比较器COMP的输出端为采样元件的输出端。
2.根据权利要求1所述的超低功耗数字温度传感器，其特征在于：所述环形振荡器包括首尾相连的第一反相器、第二反相器和第三反相器，且第三反相器的输出端连接第一反相器的输入端，构成环形连接；
还包括第一NMOS晶体管，所述第一NMOS晶体管的栅极接电源；第一NMOS晶体管的源极、漏极和衬底相连接后，再与三个反相器的电源端连接。
3.根据权利要求1所述的超低功耗数字温度传感器，其特征在于：所述可变电阻阵列包括多组结构相同的晶体管单元，且彼此相互并联。
4.根据权利要求3所述的超低功耗数字温度传感器，其特征在于：所述晶体管单元包括第四PMOS晶体管和第四反相器，第四PMOS晶体管的源极、漏极和衬底相连接后，再与第四反相器的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的超低功耗数字温度传感器，其特征在于：所述第四PMOS晶体管的栅极与可变电阻阵列的输出端连接。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101741354A (zh) * 2009-11-25 2010-06-16 天津南大强芯半导体芯片设计有限公司 一种低频低功耗振荡器电路及其工作方法
CN102338669A (zh) * 2010-05-27 2012-02-01 香港科技大学 低电压低功耗cmos温度传感器
CN204405208U (zh) * 2015-03-14 2015-06-17 顺德职业技术学院 一种温度传感器

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