CN112880845B - 一种可变量程温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可变量程温度传感器，包括：电流产生电路、量程切换电路、调制器电路和计数器电路；电流产生电路用于根据待测温度生成测量电流；量程切换电路用于根据比特流控制信号和量程控制向量信号生成转换电流；调制器电路用于对转换电流进行模数调制，生成比特流信号；计数器电路用于接收比特流信号，并根据比特流信号的占空比信息，输出待测温度的测量结果。本发明能够在传统温度传感器的基础上，通过片上改变电流组合运算，实现不同量程切换，大量程测量范围大，小量程测量精度高，付出极小的成本扩展了温度传感器的应用场景，可以在常规测温基础上，满足体温等小量程高精度温度测量需求，提高芯片的集成度，减小芯片的面积。

Description

一种可变量程温度传感器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种可变量程温度传感器。

背景技术

温度传感器，尤其是片上温度传感器，因为集成度高，被广泛应用于各种芯片内部设计中，其基本工作原理是：通过三极管和运放产生与绝对温度成反比的电流和以及与绝对温度成正比的电流，将这两个电流组合运算后，再通过积分器实现对电容的充放电，充放电电压通过比较器，产生一个包含温度信息的比特流信号，其中比特流信号的占空比与温度成正比，然后经过数字域时钟同步后，输出一个可被数字信号采样量化的比特流信号。

传统的温度传感器，对前述的正比电流和反比电流进行组合时的原则是：将温度变化范围(测温量程)尽量对应到整个占空比范围，如果对应不满，则说明占空比范围利用率偏小，而量化位数是固定的，这就导致单位步进所需的精度就高，这样可能会因为失配原因而导致最终实现不了最小精度的设计要求。加之在实际设计中，为了规避工艺偏差以及采样误差，在占空比最大和最小的位置均留有一定的裕度，仅使用中间80％～90％的占空比范围，这使得精度要求变得更高，更难实现。

情况1：传统固定量程的温度传感器，比如量程为-40～125℃，在实际设计时会把这个温度范围映射到整个占空比范围，对应得到一个温度精度(称为精度1)，若将该固定量程的温度传感器应用到小温度范围的场景，比如20～50℃，由于实际占空比变化范围只会占用设计量程的约五分之一，将导致约五分之四的量程范围被浪费，且只能实现精度1的测量精度，故测量精度往往满足不了实际需求。

情况2：如果同样电压同样位数的温度传感器，设计量程改为20～50摄氏度，那么设计时会把这个相对小的温度范围映射到整个占空比范围，由于占空比范围是固定的，虽然在小的温度范围能得到一个相对更高且更容易实现的测量精度(称为精度2)，但同时也限制了这种温度传感器测量更大的温度范围。

上述两种情况针对不同的测量对象以及不同的应用，需要做不同的设计，以及进行不同批次的流片，浪费了设计的人力资源，也增加了流片成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种可变量程温度传感器，使温度传感器的量程具有热切换功能，能在不断电的情况下实现在一组或几组测温量程中的自由切换。

本发明提供一种可变量程温度传感器，包括：电流产生电路、量程切换电路、调制器电路和计数器电路。其中，电流产生电路，用于根据待测温度，生成测量电流；所述量程切换电路，用于根据比特流控制信号和量程控制向量信号，对所述测量电流进行转换，生成转换电流；所述调制器电路，用于对所述转换电流进行模数调制，生成比特流信号；所述计数器电路，用于接收所述比特流信号，并根据所述比特流信号的占空比信息，输出所述待测温度的测量结果。

根据本发明提供的一种可变量程温度传感器，在所述测量电流包括第一电流和与所述第一电流相异的第二电流的情况下，所述量程切换电路包括：m个并联的电流镜构成的第一电流镜组和n个并联的电流镜构成的第二电流镜组，每个所述电流镜分别通过一个独立的开关连接求和节点；所述第一电流接入至所述第一电流镜组的并联交点，所述第二电流接入至所述第二电流镜组的并联交点；所述求和节点连接所述调制器电路的输入端。

根据本发明提供的一种可变量程温度传感器，所述第一电流镜组中至少包括一个镜像比例尺寸为1的第一电流镜，所述第二电流镜组中至少包括一个镜像比例尺寸为1的第二电流镜，所述第一电流镜和所述第二电流镜所对应的开关为常闭；所述第一电流镜组中至少还包括一个镜像比例尺寸为1的第三电流镜，所述第二电流镜组中至少还包括一个镜像比例尺寸为1的第四电流镜，所述比特流控制信号用于控制所述第三电流镜和所述第四电流镜所对应的开关；所述量程控制向量信号用于控制除所述第一电流镜、所述第二电流镜、所述第三电流镜以及所述第四电流镜之外的其它电流镜所对应的开关。

根据本发明提供的一种可变量程温度传感器，所述第一电流镜组至少还包括第五电流镜，所述第二电流镜组至少还包括第六电流镜；所述第一电流镜、所述第三电流镜和所述第五电流镜均为PMOS晶体管；所述第二电流镜、所述第四电流镜和所述第六电流镜均为NMOS晶体管；所述第一电流镜的栅极连接所述第三电流镜的栅极和所述第五电流镜的栅极，并接入所述第一电流；所述第一电流镜的源极连接所述第三电流镜的源极和所述第五电流镜的源极，并接地；所述第一电流镜的漏极连接第一开关的一端，所述第一开关的另一端连接所述求和节点；所述第三电流镜的漏极连接第三开关的一端，所述第三开关的另一端连接所述求和节点；所述第五电流镜的漏极连接第五开关的一端，所述第五开关的另一端连接所述求和节点；对应地，所述第二电流镜的栅极连接所述第四电流镜的栅极和所述第六电流镜的栅极，并接入所述第二电流；所述第二电流镜的源极连接所述第四电流镜的源极和所述第六电流镜的源极，并接地；所述第二电流镜的漏极连接第二开关的一端，所述第二开关的另一端连接所述求和节点；所述第四电流镜的漏极连接第四开关的一端，所述第四开关的另一端连接所述求和节点；所述第六电流镜的漏极连接第六开关的一端，所述第六开关的另一端连接所述求和节点。

根据本发明提供的一种可变量程温度传感器，所述电流产生电路包括：第一PNP三极管、第二PNP三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第一运放、第二运放、第二电容、第四PMOS晶体管，第五PMOS晶体管、第六PMOS晶体管、第四NMOS晶体管、第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管，其中：所述第一PNP三极管的基极连接所述第一PNP三极管的集电极、所述第二PNP三极管的基极、所述第二PNP三极管的集电极、所述第二电容的一端、所述第五NMOS晶体管的源极和所述第四电阻的一端，并接地；所述第一PNP三极管的发射极连接所述第一电阻的一端和所述第一运放的正输入端；所述第一运放的负输入端连接所述第二电阻的一端和所述第三电阻的一端；所述第一运放的输出端连接所述第四NMOS晶体管的栅极；所述第四NMOS晶体管的源极连接所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端和所述第二电容的另一端；所述第四NMOS晶体管的漏极连接所述第四PMOS晶体管的漏极、所述第四PMOS晶体管的栅极和所述第五PMOS晶体管的栅极；所述第四NMOS晶体管的源极连接所述第五PMOS晶体管的源极、所述第六PMOS晶体管的源极，并连接电源；所述第五PMOS晶体管的漏极连接所述第五NMOS晶体管的漏极、所述第五NMOS晶体管的栅极，并输出所述第一电流；所述第六PMOS晶体管的栅极连接所述第六PMOS晶体管的漏极、所述第六NMOS晶体管的漏极，并输出所述第二电流；所述第六PMOS晶体管的栅极连接所述第二运放的输出端；所述第六PMOS晶体管的源极连接所述第四电阻的另一端、所述第二运放的负输入端；所述第二运放的正输入端连接所述第二PNP三极管的发射极和所述第三电阻的另一端。

根据本发明提供的一种可变量程温度传感器，所述调制器电路包括：第一电容、第三运放、比较器和同步电路；所述第三运放与所述第一电容组成一个积分电路，所述第一电容的一端连接所述第三运放的负输入端，所述第一电容的另一端连接所述第三运放的输出端和所述比较器的负输入端，所述第三运放的正输入端接入与所述测量电流对应的积分参考电压；所述比较器的正输入端接入比较器阈值电压；所述比较器的输出端连接所述同步电路，所述同步电路用于根据所述比较器的在系统时钟周期内输出的比较结果，生成所述比特流信号。

根据本发明提供的一种可变量程温度传感器，所述计数器电路包括：计数模块、计时模块和输出指示模块；所述计数模块用于接收所述比特流信号，并量化所述比特流信号中的所述占空比信息，以输出与所述待测温度的测量结果对应的二进制数据；所述计时模块用于控制对所述测量电流进行转换的时间周期，并控制所述计数模块的计数时长；所述输出指示模块用于在输出所述测量结果后，复位所述计数模块和所述计时模块。

根据本发明提供的一种可变量程温度传感器，所述第一电流与所述待测温度对应的绝对温度成正比；所述第二电流与所述待测温度对应的绝对温度成反比。

根据本发明提供的一种可变量程温度传感器，所述比特流控制信号是根据所述比特流信号的高低电平状态确定的；所述比特流控制信号用于控制所述第三电流镜和所述第四电流镜所对应的开关，具体包括：在上一采样周期结束时所获取的所述比特流信号为高电平的情况下，对应的所述比特流控制信号控制所述第三电流镜所对应的开关断开，并控制所述第四电流镜所对应的开关闭合；对应地，在上一采样周期结束时所获取的所述比特流信号为低电平的情况下，对应的所述比特流控制信号控制所述第三电流镜所对应的开关闭合，并控制所述第四电流镜所对应的开关断开。

本发明提供的可变量程温度传感器，能够在传统温度传感器的基础上，通过片上改变电流组合运算，实现不同量程切换，大量程测量范围大，小量程测量精度高，付出极小的成本扩展了温度传感器的应用场景，可以在常规测温基础上，满足体温等小量程高精度温度测量需求，提高芯片的集成度，减小芯片的面积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种可变量程温度传感器的结构示意图；

图2是现有技术中的一种温度传感器的结构示意图；

图3是本发明提供的另一种可变量程温度传感器的结构示意图；

图4是本发明提供的电流产生电路的结构示意图；

图5是本发明提供的调制器电路的结构示意图；

图6是本发明提供的计数器电路的结构示意图；

其中，附图标记为：

100：电流产生电路； 200：量程切换电路； 300：调制器电路；

400：计数器电路； 101：第一运放； 102：第二运放；

301：第三运放； 302：比较器； 303：同步电路；

401：计数模块； 402：计时模块； 403：输出指示模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图6描述本发明实施例所提供的可变量程温度传感器。

图1是本发明提供的可变量程温度传感器的结构示意图，如图1所示，包括但不限于：电流产生电路100、量程切换电路200、调制器电路300和计数器电路400。

其中，所述电流产生电路100主要用于根据待测温度，生成测量电流；所述量程切换电路200主要用于根据比特流控制信号和量程控制向量信号，对所述测量电流进行转换，生成转换电流；所述调制器电路300主要用于对所述转换电流进行模数调制，生成比特流信号；所述计数器电路400主要用于接收所述比特流信号，并根据所述比特流信号的占空比信息，输出所述待测温度的测量结果。

图2是现有技术中的一种温度传感器的结构示意图，如图2所示，这一现有技术温度传感器包括：电流产生电路、简单的电流求和电路，sigma-delta调制器电路以及计数器电路。其工作原理为：电流产生电路产生的电流，通过一定比例简单求和，配合sigma-delta调制器电路，形成固定量程温度传感器，产生的比特流信号的占空比与温度一一对应。类似于图2所示的温度传感器，目前所有的温度传感器均采用的是固定量程的温度传感方式，使得对应于不同应用，需要做不同的设计，进行不同批次的流片，浪费了设计的人力资源，也增加了流片成本。

在现有技术的基础上，本发明提供的可变量程温度传感器。通过对温度产生电路100产生的测量电流进行组合运算的方式，利用量程切换电路200，对测量电流进行测温量程的转换，生成与测温量程所对应的转换电流，实现了改变流入调制器电路300里的电流大小，来实现测温量程的切换。

作为可选地，本发明所采用的调制器电路300可以是三角积分模数转换电路(sigma-delta调制电路)。其中，所述sigma-delta调制电路通过采用过采样、噪声整形以及数字滤波技术，降低对模拟电路的设计要求，实现了其他类型的ADC无法达到的高精度和低功耗。

其中，量程切换电路100通过感温元件，将所检测到的待测温度，转换成对应的测量电流。可选地，所述测量电流可以包括两种类型的电流信号，如：一部分是与待测温度对应的绝对温度成正比的电流(称为I_ptat)，另一部分是与待测温度对应的绝对温度成反比的电流(称为I_be)；也可以是一部分是与待测温度对应的绝对温度成正比的电流，或与待测温度对应的绝对温度成反比的电流，另一部分选用一个参考电流(如恒定大小的直流电流)。即本发明提供的可变量程温度传感器中，所述电流产生电路100所产生的测量电流是包括相异的两部分电流信号，但所述两部分电流信号携带有所述待测温度的温度信息。

进一步地，量程切换电路200的输入端连接所述电流产生电路100的电流输出端，用于接收电流产生电路100所产生的测量电流。

具体地，如图1所示，根据测温量程预先设置好的量程切换电路200，对接收到的测量电流进行组合运算后，输出对应的转换电流。

进一步地，量程切换电路200的输出端与调制器电路300的输入端向连接。调制器电路300对接收到的转换电流进行调制(主要包括模数转换)，输出包含待测温度的温度信息的比特流信号。

其中，所述比特流信号的高电平占空比包含所述温度信息。例如：在一个采用周期内所获取的高电平占空比越大，所对应的待测温度越高。

进一步地，为了准确的实现温度的计量和读取，本发明提供的可变量程温度传感器还包括计数器电路400，所述计数器电路400的输入端连接调制器电路300的输出端，用于对输入的比特流信号进行量化，输出一个包含所述温度信息的二进制信号。最后，将二进制信号转换成对应的测量结果输出。

需要说明的是，本发明所采用的电流产生电路100、调制器电路300以及计数器电路400，均可以采用现有技术中的常用电路来执行对应的功能，对此本发明不作一一赘述。

相对于现有技术，本发明所提供的可变量程温度传感器的区别主要在于还包括量程切换电路200，能够根据比特流控制信号和量程控制向量信号，能根据测温量程的不同，对电流产生电路100所输出的测量电流进行对应的转换，通过改变流入调制器电路里的电流大小，来实现测温量程的切换。

其中，所述比特流控制信号是由上一采用周期中调制器电路300所输出的比特流信号确定的，以根据上一采用周期比特流信号，确定量程切换电路300在当前采用周期中处于复位状态。

例如，在上一采样周期结束时，比特流信号为高电平，此时比特流控制信号所对应的用于电流转换的元件，如两个开关分别为开关SW1闭合、开关SW2断开；则在当前采用周期中先根据比特流控制信号调整开关SW1为断开、开关SW2为闭合。

其中，所述量程控制向量信号可以由外部输入，通过改变量程切换电路中各元件的工作状态，以实现根据测温量程的不同，对测量电流进行等比例的转换，输出对应的转换电流。

本发明提供的可变量程温度传感器，能够在传统温度传感器的基础上，通过片上改变电流组合运算，实现不同量程切换，大量程测量范围大，小量程测量精度高，付出极小的成本扩展了温度传感器的应用场景，可以在常规测温基础上，满足体温等小量程高精度温度测量需求，提高芯片的集成度，减小芯片的面积。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在所述测量电流包括第一电流和与所述第一电流相异的第二电流的情况下，所述量程切换电路200包括：m个并联的电流镜构成的第一电流镜组和n个并联的电流镜构成的第二电流镜组，每个所述电流镜分别通过一个独立的开关连接求和节点；所述第一电流接入至所述第一电流镜组的并联交点，所述第二电流接入至所述第二电流镜组的并联交点；所述求和节点连接所述调制器电路的输入端。

具体地，如图1所示，在本发明提供的可变量程温度传感器中，主要是通过电流镜，以实现量程切换电路200的电流转换功能。

其中，电流镜又称镜像恒流源，用来产生偏置电流和作为有源负载，是模拟集成电路中普遍存在的一种标准部件，其特点是输出电流是对输入电流按一定比例的复制，即输出电流和输出电流之间存在一个稳定的电流传输比。

具体地，在本发明提供的可变量程温度传感器中，通过将m个电流镜并联构成第一电流镜组，如图1中的I₁、I₃、I₅、I₇…I_n；同时将n个电流镜并联构成第二电流镜组，如图1中的I₂、I₄、I₆、I₈…I_m。每个电流镜可以视为一个与输入电流成一定比例(即电流传输比)的电流源，故分别按每个电流镜在图1中的标号将其称作第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第五电流源、第六电流源、第七电流源、第八电流源、……、第m电流源、第n电流源。其中，每个电流源通过一个开关连接于求和节点，所述求和节点连接调制器电路300的输入端。

进一步地，第一电流镜组中所有电流源的并联交点连接所述测量电流中的第一电流(如I_ptat)，第二电流镜组中所有电流源的并联交点连接所述测量电流中的第一电流(如I_be)。在此基础上，所述第一电流镜组的所有电流源用于根据输入的I_ptat，向所述求和节点充电；所述第二电流镜组的所有电流源用于根据输入的I_be向所述求和节点放电。

最后，由调制器电路对接收到的测量电流(测量电流可以根据电流产生电路产生的I_ptat以及I_be进行组合运算确定)，输出对应的比特流信号。

本发明提供的量程切换电路，之所以能够实现测量电流的转换，主要表现在：可以根据比特流控制信号和量程控制向量信号通过对各开关的通断控制，以实现控制每个电流源与所述求和节点之间的通断，进而达到控制向调制器电路300输入的转换电流的大小，实现了量程的切换。

本发明提供的可变量程温度传感器，利用多个电流镜构成电流镜组，通过控制每个电流镜电流的输出至调制器电路的与否，以实现对于输入的测量电流的调整，提供了一种根据不同测温量程的需要，通过片上改变电流组合运算，科学、准确的对包含有温度信息的电流转换，且可控性强、操作简单，付出极小的成本扩展了温度传感器的应用场景。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述第一电流镜组中至少包括一个镜像比例尺寸为1的第一电流镜，所述第二电流镜组中至少包括一个镜像比例尺寸为1的第二电流镜，所述第一电流镜和所述第二电流镜所对应的开关为常闭；所述第一电流镜组中至少还包括一个镜像比例尺寸为1的第三电流镜，所述第二电流镜组中至少还包括一个镜像比例尺寸为1的第四电流镜，所述比特流控制信号用于控制所述第三电流镜和所述第四电流镜所对应的开关；所述量程控制向量信号用于控制除所述第一电流镜、所述第二电流镜、所述第三电流镜以及所述第四电流镜之外的其它电流镜所对应的开关。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，可以选用镜像比例尺寸为1的第一电流镜I₁、第二电流镜I₂、第三电流镜I₃和第四电流镜I₄，其中第一电流镜I₁和第二电流镜I₃的电流方向是相同的，但与第二电流镜I₂和第四电流镜I₄的电流方向相反。

其中，第一电流镜I₁、第二电流镜I₂所对应的开关是常闭状态，而第三电流镜I₃、第四电流镜I₄所对应的开关状态为相反的，即在第四电流镜I₄所对应的开关闭合时，第三电流镜I₃所对应的开关断开；在第四电流镜I₄所对应的开关断开时，第三电流镜I₃所对应的开关闭合。

在I_ptat均向所述求和节点充电，I_be均向所述求和节点放电的情况下，比特流信号的占空比的计算公式为：

其中，k1是所有向求和节点充电的电流镜的镜像比例尺寸之和，k2是所有向求和节点放电的电流镜的镜像比例尺寸之和。

故本本发明提供的可变量程温度传感器，通过对第一电流镜I₁、第二电流镜I₂、第三电流镜I₃和第四电流镜I₄所对应的开关采用上述设置，能够获取到基准占空比，以方便后期根据所述基准占空比实现整个可变量程温度传感器的校准操作。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述第一电流镜组至少还包括第五电流镜PMOS3，所述第二电流镜组至少还包括第六电流镜NMOS3；

所述第一电流镜PMOS1、所述第三电流镜PMOS2和所述第五电流镜PMOS3均为PMOS晶体管；所述第二电流镜NMOS1、所述第四电流镜NMOS2和所述第六电流镜NMOS3均为NMOS晶体管；

所述第一电流镜PMOS1的栅极连接所述第三电流镜PMOS2的栅极和所述第五电流镜PMOS3的栅极，并接入所述第一电流I_ptat；

所述第一电流镜PMOS1的源极连接所述第三电流镜PMOS2的源极和所述第五电流镜PMOS3的源极，并接地；

所述第一电流镜PMOS1的漏极连接第一开关SW1的一端，所述第一开关SW1的另一端连接所述求和节点；

所述第三电流镜PMOS2的漏极连接第三开关SW3的一端，所述第三开关SW3的另一端连接所述求和节点；

所述第五电流镜PMOS3的漏极连接第五开关SW5的一端，所述第五开关SW5的另一端连接所述求和节点；

对应地，所述第二电流镜NMOS1的栅极连接所述第四电流镜NMOS2的栅极和所述第六电流镜NMOS3的栅极，并接入所述第二电流I_be；

所述第二电流镜NMOS1的源极连接所述第四电流镜NMOS2的源极和所述第六电流镜NMOS3的源极，并接地；

所述第二电流镜NMOS1的漏极连接第二开关SW2的一端，所述第二开关SW2的另一端连接所述求和节点；

所述第四电流镜NMOS2的漏极连接第四开关SW4的一端，所述第四开关SW4的另一端连接所述求和节点；

所述第六电流镜的漏极连接第六开关的一端，所述第六开关的另一端连接所述求和节点。

图3是本发明提供的另一种可变量程温度传感器的结构示意图，如图3所示，作为一种可选实施例，

具体地，本实施例中的量程切换电路包括：第一电流镜PMOS1、第二电流镜NMOS1、第三电流镜PMOS2、第四电流镜NMOS2、第五电流镜PMOS3、第六电流镜NMOS3、第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6。

其中：

第一电流镜PMOS1的栅极电压接与绝对温度成正比的电流信号I_ptat的镜像电压，源极接地，漏极连接第二开关SW2的一端；

第四电流镜NMOS2的栅极电压接与绝对温度成正比的电流信号I_ptat的镜像电压，源极接地，漏极连接第四开关SW4的一端，与第二电流镜NMOS1属于同一组电流镜；

第六电流镜NMOS3的栅极电压接与绝对温度成正比的电流信号的镜像电压，源极接地，漏极连接第六开关SW6的一端，与第四电流镜NMOS2、第六电流镜NMOS3属于同一组电流镜。

第一电流镜PMOS1的栅极电压接与绝对温度成反比的电流信号的镜像电压，源极接电源，漏极接第一开关SW1的一端；

第三电流镜PMOS2的栅极电压接与绝对温度成反比的电流信号I_be的镜像电压，源极接电源，漏极接第三开关SW3的一端，与第一电流镜PMOS1属于同一组电流镜；

第五电流镜PMOS3的栅极电压接与绝对温度成反比的电流信号I_be的镜像电压，源极接电源，漏极接第五开关SW5的一端，与第一电流镜PMOS1、第三电流镜PMOS2属于同一组电流镜；

第一开关SW1的一端连接电流求和节点，另一端连接第一电流镜PMOS1的漏极；

第二开关SW2的一端连接电流求和节点，另一端连接第二电流镜NMOS1的漏极；

第三开关SW3的一端连接电流求和节点，另一端连接第三电流镜PMOS2；

第四开关SW4的一端连接电流求和节点，另一端连接第四电流镜NMOS2的漏极；

第五开关SW5的一端连接电流求和节点，另一端连接第五电流镜PMOS3的漏极；

第六开关SW6的一端连接电流求和节点，另一端连接第六电流镜NMOS3。

本发明提供的可变量程温度传感器中，对于量程切换电路200，主要由一系列PMOS和NMOS晶体管，以及对应的开关组成，晶体管为电流镜，镜像自电流产生电路100里的与绝对温度成反比的电流I_ptat和与绝对温度成正比的电流I_be，镜像比例尺寸根据所需要的量程计算得到。在量程切换电路200中，NMOS晶体管流过的是I_ptat的倍数电流，PMOS晶体管流过的是I_be的倍数电流。

基于上述电路，所述第一开关SW1和第二开关，由互为相反的两个信号控制，该信号就是sigma-delta调制器电路200的输出比特流信号Bit_Stream。所述第三开关SW3和第四开关SW4在本发明中是常通状态；所述第五开关SW5和第六开关SW6至第m开关SWm和第n开关SWn，由一个量程控制向量信号控制，该量程控制向量信号就是量程切换控制信号，当第五开关和第六开关至第m开关和第n开关按向量组合控制闭合后，第五电流镜PMOS3和第六电流镜NMOS3至第m电流镜和第n电流镜接入电流求和节点，可以等效为改变了第三电流镜PMOS2和第四电流镜NMOS2的个数，等效为电流组合运算公式改变，从而实现量程的切换。

作为一种具体实施例，量程切换电路中，第一PMOS晶体管的镜像比例尺寸为1，第二PMOS晶体管的镜像比例尺寸为1，第三PMOS晶体管的镜像比例尺寸为5，第一NMOS晶体管的镜像比例尺寸为1，第二NMOS晶体管的镜像比例尺寸为1，第三NMOS晶体管的镜像比例尺寸为6，上述镜像比例尺寸是根据-40～125℃量程和20～50℃量程范围计算出来的，上述两个测温量程所对应的占空比公式为：

可以看出，分母I_ptat+I_be是与温度无关的电流，分子组合是与温度相关的值，不同的组合运算得到的占空比不一样，以此来实现不同的应用量程。

根据上述的原理分析，本领域技术人员应当明白，不同的设计量程，会对应不同的组合运算形式，实施例中只举例了两个具体量程的切换，实际应用中可以根据情况，设计多种不同的量程切换。

需要说明的是，在本发明具体应用中上述m+n个电流镜的镜像比例尺寸分别是固定的，但是在其他量程应用中，可以根据实际计算需求，采用不同电流镜比例来实现不同的组合运算，各种电流镜比例都包含在本发明的保护范围内，即本发明不对每个电流镜的镜像比例尺寸作具体的限定。

图4是本发明实施例提供的电流产生电路100的结构示意图，如图4所示，所述电流产生电路100主要包括：第一PNP三极管PNP1、第二PNP三极管PNP2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，第一运放101、第二运放102、第二电容C2、第四PMOS晶体管PMOS4，第五PMOS晶体管PMOS5、第六PMOS晶体管PMOS6、第四NMOS晶体管NMOS4、第五NMOS晶体管NMOS5、第六NMOS晶体管NMOS6。

其中，所述第一PNP三极管PNP1的基极连接所述第一PNP三极管PNP1的集电极、所述第二PNP三极管PNP2的基极、所述第二PNP三极管PNP2的集电极、所述第二电容C2的一端、所述第五NMOS晶体管NMOS5的源极和所述第四电阻R4的一端，并接地；

所述第一PNP三极管PNP1的发射极连接所述第一电阻R1的一端和所述第一运放101的正输入端；

所述第一运放101的负输入端连接所述第二电阻R2的一端和所述第三电阻R3的一端；

所述第一运放101的输出端连接所述第四NMOS晶体管的栅极NMOS4；

所述第四NMOS晶体管NMOS4的源极连接所述第一电阻R1的另一端、所述第二电阻R2的另一端和所述第二电容C2的另一端；

所述第四NMOS晶体管NMOS4的漏极连接所述第四PMOS晶体管PMOS4的漏极、所述第四PMOS晶体管PMOS4的栅极和所述第五PMOS晶体管PMOS5的栅极；

所述第四NMOS晶体管NMOS4的源极连接所述第五PMOS晶体管PMOS5的源极、所述第六PMOS晶体管PMOS6的源极，并连接电源；

所述第五PMOS晶体管PMOS5的漏极连接所述第五NMOS晶体管NMOS5的漏极、所述第五NMOS晶体管NMOS5的栅极，并输出所述第一电流I_ptat；

所述第六PMOS晶体管PMOS6的栅极连接所述第六PMOS晶体管PMOS6的漏极、所述第六NMOS晶体管NMOS6的漏极，并输出所述第二电流I_be；

所述第六PMOS晶体管PMOS6的栅极连接所述第二运放102的输出端；

所述第六PMOS晶体管PMOS6的源极连接所述第四电阻R4的另一端、所述第二运放102的负输入端；

所述第二运放102的正输入端连接所述第二PNP三极管PNP2的发射极和所述第三电阻R3的另一端。

需要说明的是，本发明提供的电流产生电路100为一具体地实施例，也可以采取其它电流产生电路，本质上都是需要产生一个与绝对温度成正比和一个与绝对温度成反比的电流，或者是两者组合的一个电流，用于后续量程切换电路进行组合运算。

图5是本发明提供的调制器电路300的结构示意图，如图5所示，所述调制器电路300主要包括：第一电容C1、第三运放301、比较器302和同步电路303.

其中，所述第三运放301与所述第一电容C1组成一个积分电路，所述第一电容C1的一端连接所述第三运放301的负输入端，所述第一电容C1的另一端连接所述第三运放301的输出端和所述比较器302的负输入端，所述第三运放301的正输入端接入与所述测量电流对应的积分参考电压REF；

所述比较器302的正输入端接入比较器阈值电压VTH；

所述比较器302的输出端连接所述同步电路303，所述同步电路303用于根据所述比较器302的在系统时钟周期内输出的比较结果，生成所述比特流信号Bit_Stream。

需要说明的是，本发明提供的是一种sigma-delta调制器电路，作为可选地，也可以采用其它的调制器电路，而其它调制器电路能根据实际使用情况在结构上作出适当变化，本质上是需要将组合运算后的电流，用积分器积分，然后通过比较器比较后，输出占空比包含温度信息的比特流信号Bit_Stream，同步电路303的作用是利用系统时钟，同步产生所述比特流信号Bit_Stream，以方便后续利用计数器进行计数电路400进行量化，以降低采样误差。

图6是本发明提供的计数器电路400的结构示意图，如图6所示，所述计数器电路400主要包括：计数模块401、计时模块402和输出指示模块403；

所述计数模块401主要用于接收所述比特流信号，并量化所述比特流信号中的所述占空比信息，以输出与所述待测温度的测量结果对应的二进制数据；所述计时模块402主要用于控制对所述测量电流进行转换的时间周期，并控制所述计数模块的计数时长；所述输出指示模块403主要用于在输出所述测量结果后，复位所述计数模块401和所述计时模块402。

具体地，计数模块401用于量化前极sigma-delta调制器电路300输出的比特流信息，提取出温度信息。

计时模块402用于控制sigma-delta调制器电路300的建立时间和计数模块401的计数时长。

输出指示模块403用于在计数完成后，告知后极输出准备好，并在一定时长后复位计时模块402和计数模块401，以便开始新一轮的检测。

需要说明的是，本发明提供的计数器电路400最为一种具体实施例，也可以采取其它计数器电路，而其它计数器电路根据实际使用情况结构会有所变化，例如在图6所示的电路结构的基础上，若需要使得输出位数发生改变，可以相应地对计时的时长作出改变等。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述第一电流与所述待测温度对应的绝对温度成正比；所述第二电流与所述待测温度对应的绝对温度成反比。

本发明提供的可变量程温度传感器，利用电流产生电路100直接生成与待测温度对应的绝对温度成正比的I_ptat以及与待测温度对应的绝对温度成反比的I_be，以方便后期利用量程切换电路200根据测温量程，合理配置量程控制向量信号，以实现对输入的电流进行调制生成测量电流，有效地提高了量程切换的精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述比特流控制信号是根据所述比特流信号的高低电平状态确定的；所述比特流控制信号用于控制所述第三电流镜和所述第四电流镜所对应的开关，具体包括：在上一采样周期结束时所获取的所述比特流信号为高电平的情况下，对应的所述比特流控制信号控制所述第三电流镜所对应的开关断开，并控制所述第四电流镜所对应的开关闭合；对应地，在上一采样周期结束时所获取的所述比特流信号为低电平的情况下，对应的所述比特流控制信号控制所述第三电流镜所对应的开关闭合，并控制所述第四电流镜所对应的开关断开。

本发明提供的可变量程温度传感器，在利用量程控制向量信号实现量程切换电路的配置的基础上，根据比特流信号的高低电平状态，生成比特流控制信号，以使得生成的所述测试量电流为矩形波电流，为后期计数器电路对比特流信号的占空比进行量化提供了基础，有效地提高了测量的精度。

综上所述，本发明提供的可变量程温度传感器，创造性的提出了量程切换电路，以搭配相应的sigma-delta调制器电路，可以使温度传感器的量程具有热切换功能，可以在不断电的情况下，在一组或几组测温量程中自由切换。上述设计方式，对芯片面积增加量的极其微小，以极小的代价，扩展了温度传感器芯片应用的场景，提高了芯片集成度，也节约了多版本分化增加的成本。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种可变量程温度传感器，其特征在于，至少包括：

电流产生电路、量程切换电路、调制器电路和计数器电路；

所述电流产生电路，用于根据待测温度，生成测量电流；

所述量程切换电路，用于根据比特流控制信号和量程控制向量信号，对所述测量电流进行转换，生成转换电流；

所述调制器电路，用于对所述转换电流进行模数调制，生成比特流信号；

所述计数器电路，用于接收所述比特流信号，并根据所述比特流信号的占空比信息，输出所述待测温度的测量结果；

在所述测量电流包括第一电流和与所述第一电流相异的第二电流的情况下，所述量程切换电路包括：

m个并联的电流镜构成的第一电流镜组和n个并联的电流镜构成的第二电流镜组，每个所述电流镜分别通过一个独立的开关连接求和节点；

所述第一电流接入至所述第一电流镜组的并联交点，所述第二电流接入至所述第二电流镜组的并联交点；

所述求和节点连接所述调制器电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的可变量程温度传感器，其特征在于，

所述第一电流镜组中至少包括一个镜像比例尺寸为1的第一电流镜，所述第二电流镜组中至少包括一个镜像比例尺寸为1的第二电流镜，所述第一电流镜和所述第二电流镜所对应的开关为常闭；

所述第一电流镜组中至少还包括一个镜像比例尺寸为1的第三电流镜，所述第二电流镜组中至少还包括一个镜像比例尺寸为1的第四电流镜，所述比特流控制信号用于控制所述第三电流镜和所述第四电流镜所对应的开关；

所述量程控制向量信号用于控制除所述第一电流镜、所述第二电流镜、所述第三电流镜以及所述第四电流镜之外的其它电流镜所对应的开关。

3.根据权利要求2所述的可变量程温度传感器，其特征在于，所述第一电流镜组至少还包括第五电流镜，所述第二电流镜组至少还包括第六电流镜；

所述第一电流镜、所述第三电流镜和所述第五电流镜均为PMOS晶体管；所述第二电流镜、所述第四电流镜和所述第六电流镜均为NMOS晶体管；

所述第一电流镜的栅极连接所述第三电流镜的栅极和所述第五电流镜的栅极，并接入所述第一电流；

所述第一电流镜的源极连接所述第三电流镜的源极和所述第五电流镜的源极，并接地；

所述第一电流镜的漏极连接第一开关的一端，所述第一开关的另一端连接所述求和节点；

所述第三电流镜的漏极连接第三开关的一端，所述第三开关的另一端连接所述求和节点；

所述第五电流镜的漏极连接第五开关的一端，所述第五开关的另一端连接所述求和节点；

对应地，所述第二电流镜的栅极连接所述第四电流镜的栅极和所述第六电流镜的栅极，并接入所述第二电流；

所述第二电流镜的源极连接所述第四电流镜的源极和所述第六电流镜的源极，并接地；

所述第二电流镜的漏极连接第二开关的一端，所述第二开关的另一端连接所述求和节点；

所述第四电流镜的漏极连接第四开关的一端，所述第四开关的另一端连接所述求和节点；

所述第六电流镜的漏极连接第六开关的一端，所述第六开关的另一端连接所述求和节点。

4.根据权利要求1所述的可变量程温度传感器，其特征在于，所述电流产生电路包括：第一PNP三极管、第二PNP三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第一运放、第二运放、第二电容、第四PMOS晶体管，第五PMOS晶体管、第六PMOS晶体管、第四NMOS晶体管、第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管，其中：

所述第一PNP三极管的基极连接所述第一PNP三极管的集电极、所述第二PNP三极管的基极、所述第二PNP三极管的集电极、所述第二电容的一端、所述第五NMOS晶体管的源极和所述第四电阻的一端，并接地；

所述第一PNP三极管的发射极连接所述第一电阻的一端和所述第一运放的正输入端；

所述第一运放的负输入端连接所述第二电阻的一端和所述第三电阻的一端；

所述第一运放的输出端连接所述第四NMOS晶体管的栅极；

所述第四NMOS晶体管的源极连接所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端和所述第二电容的另一端；

所述第四NMOS晶体管的漏极连接所述第四PMOS晶体管的漏极、所述第四PMOS晶体管的栅极和所述第五PMOS晶体管的栅极；

所述第四NMOS晶体管的源极连接所述第五PMOS晶体管的源极、所述第六PMOS晶体管的源极，并连接电源；

所述第五PMOS晶体管的漏极连接所述第五NMOS晶体管的漏极、所述第五NMOS晶体管的栅极，并输出所述第一电流；

所述第六PMOS晶体管的栅极连接所述第六PMOS晶体管的漏极、所述第六NMOS晶体管的漏极，并输出所述第二电流；

所述第六PMOS晶体管的栅极连接所述第二运放的输出端；

所述第六PMOS晶体管的源极连接所述第四电阻的另一端、所述第二运放的负输入端；

所述第二运放的正输入端连接所述第二PNP三极管的发射极和所述第三电阻的另一端。

5.根据权利要求1所述的可变量程温度传感器，其特征在于，所述调制器电路包括：第一电容、第三运放、比较器和同步电路；

所述第三运放与所述第一电容组成一个积分电路，所述第一电容的一端连接所述第三运放的负输入端，所述第一电容的另一端连接所述第三运放的输出端和所述比较器的负输入端，所述第三运放的正输入端接入与所述测量电流对应的积分参考电压；

所述比较器的正输入端接入比较器阈值电压；

所述比较器的输出端连接所述同步电路，所述同步电路用于根据所述比较器的在系统时钟周期内输出的比较结果，生成所述比特流信号。

6.根据权利要求1所述的可变量程温度传感器，其特征在于，所述计数器电路包括：计数模块、计时模块和输出指示模块；

所述计数模块用于接收所述比特流信号，并量化所述比特流信号中的所述占空比信息，以输出与所述待测温度的测量结果对应的二进制数据；

所述计时模块用于控制对所述测量电流进行转换的时间周期，并控制所述计数模块的计数时长；

所述输出指示模块用于在输出所述测量结果后，复位所述计数模块和所述计时模块。

7.根据权利要求1所述的可变量程温度传感器，其特征在于，所述第一电流与所述待测温度对应的绝对温度成正比；所述第二电流与所述待测温度对应的绝对温度成反比。

8.根据权利要求2所述的可变量程温度传感器，其特征在于，所述比特流控制信号是根据所述比特流信号的高低电平状态确定的；

所述比特流控制信号用于控制所述第三电流镜和所述第四电流镜所对应的开关，具体包括：

在上一采样周期结束时所获取的所述比特流信号为高电平的情况下，对应的所述比特流控制信号控制所述第三电流镜所对应的开关断开，并控制所述第四电流镜所对应的开关闭合；

对应地，在上一采样周期结束时所获取的所述比特流信号为低电平的情况下，对应的所述比特流控制信号控制所述第三电流镜所对应的开关闭合，并控制所述第四电流镜所对应的开关断开。

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