CN113311897B - 一种应用于fbar振荡器的低功耗温度传感器及其工作方法 - Google Patents

一种应用于fbar振荡器的低功耗温度传感器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器及其工作方法，所述温度传感器包括温度前端电路、ADC、时序产生电路；所述时序产生电路向温度前端电路动态匹配单元提供控制信号，并向ADC的采样保持电路提供非交叠时钟；所述温度前端电路与ADC相连并输出与温度正相关的电压ΔV BE 和与温度负相关的电压V BE ，所述ADC根据温度前端电路提供的电压信息，向外部电路输出含温度信息的脉冲宽度调制信号；本发明在满足低功耗、小体积的要求基础上，使用辅助电路分别提高测温精度和分辨率。满足了温度补偿电路对于高温度灵敏度的要求。

Description

一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器及其工作方法
技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其是一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器及其工作方法。
背景技术
5G室内基站大范围部署后，万物互联互通成为可能，物联网成为继互联网之后划时代的兴起。对于物联网的硬件设备往往具有小体积、低功耗、低成本的要求，自然对于其组成部分之一的频率基准源也提出了相同的要求。
MEMS器件凭借小尺寸低成本的优势取代了主导了几十年的石英成为主流。其中薄膜体声波谐振器(FilmBulkAcoustic Resonator，FBAR)凭借其综合低功耗、低相位噪声、高输出频率、小体积等优势，成为最具潜力的频率基准源器件。
FBAR振荡器相比石英晶体振荡器具有多种优势，但是其温度稳定性不如石英晶体，因此要实现高温度灵敏度就必须引入温度传感器进行温度补偿。
发明内容
本发明提出一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器及其工作方法，在满足低功耗、小体积的要求基础上，使用辅助电路分别提高测温精度和分辨率。满足了温度补偿电路对于高温度灵敏度的要求。
本发明采用以下技术方案。
一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，所述温度传感器包括温度前端电路、ADC、时序产生电路；所述时序产生电路向温度前端电路动态匹配单元提供控制信号，并向ADC的采样保持电路提供非交叠时钟；所述温度前端电路与ADC相连并输出与温度正相关的电压ΔVBE和与温度负相关的电压VBE，所述ADC根据温度前端电路提供的电压信息，向外部电路输出含温度信息的脉冲宽度调制信号。
所述ADC为12bit二阶Sigma-DeltaADC。
所述温度传感器的温度前端电路包括预偏置电路、温度核心电路、动态匹配单元，所述预偏置电路、温度核心电路均采用动态匹配模块并在一个转换周期内对电流镜进行交换；
所述预偏置电路包括用于排除错误的潜在工作点以使温度前端电路快速进入正确工作状态的启动电路；当温度前端电路进入正确工作点后，启动电路自动关闭；
所述预偏置电路包括用于产生带电流增益补偿系数的偏置电流的电流增益补偿电阻Rβ。
所述电流镜由PMOS管MP5-MP21以及MP22-MP37构成；
所述ADC包括±ΔVBE、VBE选择开关电路、采样保持电路、两级积分器、动态比较器，并使用全差分的电路结构来减小偶次噪声；
所述启动电路由PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1、MN2、MN3构成，其中MN3用于排除错误的潜在工作点，使温度前端电路快速进入正确工作状态；
所述预偏置电路包括两个三极管连接的衬底pnp晶体管QBL和QBR，还包括由PMOS管MP5-MP21构成的八个Cascode结构的电流源；所述预偏置电路的电流源为衬底pnp晶体管QBL和QBR提供比例为1:7的偏置电流比例。
一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器的工作方法，采用以上所述的低功耗温度传感器，用于向温度补偿FBAR振荡器补偿模块提供高精度和高分辨率的温度信息，所述温度传感器的动态匹配单元以交互式动态匹配方法，通过增设电流选择开关来交换预偏置电路、温度核心电路处的电流镜，来减小不同组电流镜之间的失配误差Δm/m，并形成可自关闭的快速启动电路以使温度前端电路进入正确工作点；所述温度前端电路预偏置电路通过偏置电阻Rb以及运放钳位产生偏置电流，再通过温度核心电路产生包含温度信息的电压VBE和ΔVBE。
所述预偏置电路工作时，产生带有温度正相关的偏置电流IPB，用于减小VBE当中的温度非线性，再由温度核心电路产生ΔVBE、VBE输出至模数转换器ADC；
当预偏置电路产生带温度系数的偏置电流用于修正VBE的温度非线性时，所述的偏置电流IBias大小为:
Figure BDA0003083100890000021
其中k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；IS为三极管的饱和电流；
通过在QBR的基极增加一个串联的电阻Rbias/7使得偏置电流得到电流增益补偿系数，表达式为：
Figure BDA0003083100890000031
解得新的偏置电流IBias表达式为：
Figure BDA0003083100890000032
其中βF是衬底寄生三极管的有限电流增益；
温度核心电路通过偏置电流产生VBE、ΔVBE，每条支路的基极-发射极电压可表示为：
Figure BDA0003083100890000033
其中m为预偏置电路和温度核心电路的电流比例，上述表达式基于理想的基极-发射极电压模型且排除其它误差来源。
所述启动电路通过消除每条支路电流为零的情况来排除错误的潜在工作点，具体为，当在三极管QBR处串联添加Rb/7以引入新的工作点时，添加启动晶体管MN3，增大偏置电流，降低运放输出电压，使所有电流源都工作在线性区域来使运放负极电压远大于正极电压，从而MN3导通以使运放输出电压增加，驱动温度前端电路工作在所需的工作点。
所述二阶Sigma-DeltaADC将电压VBE和ΔVBE转换为一个数字温度读数，由前级电路产生的电压来生成数字输出Dout，其关于温度的精确函数的比例以公式表述为
Figure BDA0003083100890000041
公式中，分子是与绝对温度成比例的电压，其中α为电压的放大倍数，而分母则是与温度无关的基准电压；
对比例系数进行缩放以获得以摄氏温度为输出的Dout，以公式表述为
Dout＝A·μ+B 公式六；
其中A为(0，600)，B为(0，273)。
所述温度前端电路的电流镜采用动态匹配电路减小电流镜之间失配误差的一阶误差，在交换电流镜时，使用动态匹配单元的电流选择开关依次切换产生IPB、7IPB、IPC、7IPC，再由额外的电流选择开关依次交换两组电流镜；
所述电流选择开关由两个尺寸相同的NMOS开关构成，分别由动态匹配控制电路的DEM逻辑控制电路的A、AN信号控制导通及关断，以保证在电路工作时，只存在一个通路处于导通状态；
所述DEM逻辑控制电路由七个带复位和置位端的D触发器和一个七输入的或非门组成，其各支路电流依次交换，且逻辑控制电路的A1到A8在同一时间只有一个为高电平，其余输出均为低电平，其中七个D触发器构成移位器存器依次将A2-A7置位高位，并由D触发器的QN输出Q2N-Q7N。A1、A1N则由A2-A7构成的七输入或非门与反相器产生；
所述动态匹配电路通过依次交换电流镜产生不同的ΔVBE，以公式表述为；
Figure BDA0003083100890000042
其中p＝7为电流比例；电流Ij(1≤j≤8)。这里的Δpj/p是电流Ij与其他电流的平均值之间的失配程度，其中存在八个可能的ΔVBE的，其平均值为：
Figure BDA0003083100890000043
所述电流镜之间失配误差的二阶误差的误差下限以公式表述为
Figure BDA0003083100890000051
其中Δp/p是电流之间的最差的匹配情况，即Δpj/p<Δp/p，适用于所有的电流镜；偏置电流电路和温度核心电路电流镜之间的比例误差Δm/m对ΔVBE造成的误差以公式表述为
Figure BDA0003083100890000052
所述Δm/m造成误差的类型与Δp/p一致，其误差所造成的两组电流镜之间的失配情况可通过动态匹配电路来减小。
所述ADC为12bit二阶Sigma-DeltaADC，二阶Sigma-DeltaADC的电路由±ΔVBE、VBE选择开关电路、采样保持电路、两级积分器、动态比较器构成，使用全差分的电路结构减小偶次噪声，用于将带有温度信息的电压信号转换为数字信号，其采样开关的采样电容的个数与ΔVBE的放大倍数α相关，按电压信号转换为数字信号的转换周期数目进行调整。
本发明公开一种用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器电路及其实现方法，该电路采用交互式动态匹配技术，通过额外的电流选择开关交换偏置电流电路和温度核心电路的电流镜，来减小不同组电流镜之间的失配误差Δm/m，以及能够自关闭的快速启动电路使前端电路进入正确工作点；本发明整体电路分为温度前端电路、12bit二阶Sigma-DeltaADC、时序产生电路三个模块，该电路结构可用于温度补偿FBAR振荡器，为补偿模块提供高精度、高分辨率的温度信息，同时该结构中的辅助电路皆由MOS器件构成，只占用极小面积，满足FBAR低功耗小体积的特性要求。
本发明在满足低功耗、小体积的要求基础上，使用辅助电路分别提高测温精度和分辨率。满足了温度补偿电路对于高温度灵敏度的要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明温度前端电路的结构示意图；
附图2是电流选择开关的示意图；
附图3是动态匹配控制电路的示意图；
附图4是动态匹配电路的示意图；
附图5是二阶Sigma-DeltaADC的电路示意图；
附图6是本发明的原理示意图。
具体实施方式
如图所示，一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，所述温度传感器包括温度前端电路、ADC、时序产生电路；所述时序产生电路向温度前端电路动态匹配单元提供控制信号，并向ADC的采样保持电路提供非交叠时钟；所述温度前端电路与ADC相连并输出与温度正相关的电压ΔVBE和与温度负相关的电压VBE，所述ADC根据温度前端电路提供的电压信息，向外部电路输出含温度信息的脉冲宽度调制信号。
所述ADC为12bit二阶Sigma-DeltaADC。
所述温度传感器的温度前端电路包括预偏置电路、温度核心电路、动态匹配单元，所述预偏置电路、温度核心电路均采用动态匹配模块并在一个转换周期内对电流镜进行交换；
所述预偏置电路包括用于排除错误的潜在工作点以使温度前端电路快速进入正确工作状态的启动电路；当温度前端电路进入正确工作点后，启动电路自动关闭；
所述预偏置电路包括用于产生带电流增益补偿系数的偏置电流的电流增益补偿电阻Rβ。
所述电流镜由PMOS管MP5-MP21以及MP22-MP37构成；
所述ADC包括±ΔVBE、VBE选择开关电路、采样保持电路、两级积分器、动态比较器，并使用全差分的电路结构来减小偶次噪声；
所述启动电路由PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1、MN2、MN3构成，其中MN3用于排除错误的潜在工作点，使温度前端电路快速进入正确工作状态；
所述预偏置电路包括两个三极管连接的衬底pnp晶体管QBL和QBR，还包括由PMOS管MP5-MP21构成的八个Cascode结构的电流源；所述预偏置电路的电流源为衬底pnp晶体管QBL和QBR提供比例为1:7的偏置电流比例。
一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器的工作方法，采用以上所述的低功耗温度传感器，用于向温度补偿FBAR振荡器补偿模块提供高精度和高分辨率的温度信息，所述温度传感器的动态匹配单元以交互式动态匹配方法，通过增设电流选择开关来交换预偏置电路、温度核心电路处的电流镜，来减小不同组电流镜之间的失配误差Δm/m，并形成可自关闭的快速启动电路以使温度前端电路进入正确工作点；所述温度前端电路预偏置电路通过偏置电阻Rb以及运放钳位产生偏置电流，再通过温度核心电路产生包含温度信息的电压VBE和ΔVBE。
所述预偏置电路工作时，产生带有温度正相关的偏置电流IPB，用于减小VBE当中的温度非线性，再由温度核心电路产生ΔVBE、VBE输出至模数转换器ADC；
当预偏置电路产生带温度系数的偏置电流用于修正VBE的温度非线性时，所述的偏置电流IBias大小为:
Figure BDA0003083100890000071
其中k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；IS为三极管的饱和电流；
通过在QBR的基极增加一个串联的电阻Rbias/7使得偏置电流得到电流增益补偿系数，表达式为：
Figure BDA0003083100890000072
解得新的偏置电流IBias表达式为：
Figure BDA0003083100890000073
其中βF是衬底寄生三极管的有限电流增益；
温度核心电路通过偏置电流产生VBE、ΔVBE，每条支路的基极-发射极电压可表示为：
Figure BDA0003083100890000081
其中m为预偏置电路和温度核心电路的电流比例，上述表达式基于理想的基极-发射极电压模型且排除其它误差来源。
所述启动电路通过消除每条支路电流为零的情况来排除错误的潜在工作点，具体为，如图1所示，当在三极管QBR处串联添加Rb/7以引入新的工作点时，添加启动晶体管MN3，增大偏置电流，降低运放输出电压，使所有电流源都工作在线性区域来使运放负极电压远大于正极电压，从而MN3导通以使运放输出电压增加，驱动温度前端电路工作在所需的工作点。
所述二阶Sigma-DeltaADC将电压VBE和ΔVBE转换为一个数字温度读数，由前级电路产生的电压来生成数字输出Dout，其关于温度的精确函数的比例以公式表述为
Figure BDA0003083100890000082
公式中，分子是与绝对温度成比例的电压，其中α为电压的放大倍数，而分母则是与温度无关的基准电压；
对比例系数进行缩放以获得以摄氏温度为输出的Dout，以公式表述为
Dout＝A·μ+B 公式六；
其中A为(0，600)，B为(0，273)。
所述温度前端电路的电流镜采用动态匹配电路减小电流镜之间失配误差的一阶误差，在交换电流镜时，使用动态匹配单元的电流选择开关依次切换产生IPB、7IPB、IPC、7IPC，再由额外的电流选择开关依次交换两组电流镜；
所述电流选择开关由两个尺寸相同的NMOS开关构成，分别由动态匹配控制电路的DEM逻辑控制电路的A、AN信号控制导通及关断，以保证在电路工作时，只存在一个通路处于导通状态；
所述DEM逻辑控制电路由七个带复位和置位端的D触发器和一个七输入的或非门组成，其各支路电流依次交换，且逻辑控制电路的A1到A8在同一时间只有一个为高电平，其余输出均为低电平，其中七个D触发器构成移位器存器依次将A2-A7置位高位，并由D触发器的QN输出Q2N-Q7N。A1、A1N则由A2-A7构成的七输入或非门与反相器产生；
所述动态匹配电路通过依次交换电流镜产生不同的ΔVBE，以公式表述为；
Figure BDA0003083100890000091
其中p＝7为电流比例；电流Ij(1≤j≤8)。这里的Δpj/p是电流Ij与其他电流的平均值之间的失配程度，其中存在八个可能的ΔVBE的，其平均值为：
Figure BDA0003083100890000092
所述电流镜之间失配误差的二阶误差的误差下限以公式表述为
Figure BDA0003083100890000093
其中Δp/p是电流之间的最差的匹配情况，即Δpj/p<Δp/p，适用于所有的电流镜；偏置电流电路和温度核心电路电流镜之间的比例误差Δm/m对ΔVBE造成的误差以公式表述为
Figure BDA0003083100890000101
所述Δm/m造成误差的类型与Δp/p一致，其误差所造成的两组电流镜之间的失配情况可通过动态匹配电路来减小。
所述ADC为12bit二阶Sigma-DeltaADC，二阶Sigma-DeltaADC的电路由±ΔVBE、VBE选择开关电路、采样保持电路、两级积分器、动态比较器构成，使用全差分的电路结构减小偶次噪声，用于将带有温度信息的电压信号转换为数字信号，其采样开关的采样电容的个数与ΔVBE的放大倍数α相关，按电压信号转换为数字信号的转换周期数目进行调整。
本例中的二阶Sigma-DeltaADC整体电路，其积分器、比较器、采样开关在以低功耗为前提的要求下，可用不同结构替代。

Claims (7)

1.一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，其特征在于：所述温度传感器包括温度前端电路、模数转换器ADC、时序产生电路；所述温度传感器的温度前端电路包括预偏置电路、温度核心电路、动态匹配单元，所述时序产生电路向温度前端电路中的动态匹配单元提供控制信号，并向模数转换器ADC中的采样保持电路提供非交叠时钟；所述预偏置电路、温度核心电路均采用动态匹配模块并在一个转换周期内对电流镜进行交换；
所述温度前端电路与模数转换器ADC相连并输出与温度正相关的电压ΔVBE和与温度负相关的电压VBE，所述模数转换器ADC根据温度前端电路提供的电压信息，向外部电路输出含温度信息的脉冲宽度调制信号；
所述ADC包括±ΔVBE、VBE选择开关电路、采样保持电路、两级积分器、动态比较器，并使用全差分的电路结构来减小偶次噪声；
所述预偏置电路包括用于排除错误的潜在工作点以使温度前端电路快速进入正确工作状态的启动电路；当温度前端电路进入正确工作点后，启动电路自动关闭；所述预偏置电路包括用于产生带电流增益补偿系数的偏置电流的电流增益补偿电阻Rβ；
所述电流镜由PMOS管MP5-MP21以及MP22-MP37构成；
所述启动电路由PMOS管MP1、MP2、NMOS管MN1、MN2、MN3构成，其中MN3用于排除错误的潜在工作点，使温度前端电路快速进入正确工作状态；
所述预偏置电路包括两个三极管连接的衬底pnp晶体管QBL和QBR，还包括由PMOS管MP5-MP21构成的八个Cascode结构的电流源；所述预偏置电路的电流源为衬底pnp晶体管QBL和QBR提供比例为1:7的偏置电流比例。
2.根据权利要求1所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，其特征在于：所述ADC为12bit二阶Sigma-Delta ADC。
3.一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器的工作方法，采用权利要求1中所述的低功耗温度传感器，用于向温度补偿FBAR振荡器补偿模块提供高精度和高分辨率的温度信息，其特征在于：所述温度传感器中的动态匹配单元以交互式动态匹配方法，通过增设电流选择开关来交换预偏置电路、温度核心电路处的电流镜，来减小不同组电流镜之间的失配误差Δm/m，并形成可自关闭的快速启动电路以使温度前端电路进入正确工作点；所述温度前端电路中的预偏置电路通过偏置电阻Rb以及运放钳位产生偏置电流，再通过温度核心电路产生包含温度信息的电压VBE和ΔVBE。
4.根据权利要求3所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器的工作方法，其特征在于：所述预偏置电路工作时，产生带有温度正相关的偏置电流，用于减小VBE当中的温度非线性，再由温度核心电路产生ΔVBE、VBE输出至模数转换器ADC；
当预偏置电路产生带温度系数的偏置电流用于修正VBE的温度非线性时，
所述的偏置电流大小为:
Figure FDA0003585993420000021
其中k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；IS为三极管的饱和电流；
q为三极管的电荷量；
通过在QBR的基极增加一个串联的电阻Rbias/7使得偏置电流得到电流增益补偿系数，表达式为：
Figure FDA0003585993420000022
其中VBE，B1和VBE，B2为用于感知温度的两个三极管的基极-发射极电压；解得新的偏置电流Ibias表达式为：
Figure FDA0003585993420000023
其中ΔVBE，bias是预偏置电路中三极管的基极-发射极电压之差；βF是衬底寄生三极管的有限电流增益；
温度核心电路通过偏置电流产生VBE、ΔVBE，每条支路的基极-发射极电压可表示为：
Figure FDA0003585993420000031
其中m为预偏置电路和温度核心电路的电流比例，上述表达式基于理想的基极-发射极电压模型且排除其它误差来源。
5.根据权利要求4所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器的工作方法，其特征在于：所述启动电路通过消除每条支路电流为零的情况来排除错误的潜在工作点，具体为，当在三极管QBR处串联添加Rb/7以引入新的工作点时，添加启动晶体管MN3，增大偏置电流，降低运放输出电压，使所有电流源都工作在线性区域来使运放负极电压远大于正极电压，从而MN3导通以使运放输出电压增加，驱动温度前端电路工作在所需的工作点。
6.根据权利要求3所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器的工作方法，其特征在于：所述ADC为二阶Sigma-Delta ADC；所述二阶Sigma-Delta ADC将电压VBE和ΔVBE转换为一个数字温度读数，由温度前端电路产生的电压来生成数字输出Dout，其关于温度的精确函数的比例系数以公式表述为
Figure FDA0003585993420000032
公式中，分子是与绝对温度成比例的电压，其中α为电压的放大倍数，而分母则是与温度无关的基准电压；
对比例系数进行缩放以获得以摄氏温度为输出的Dout，以公式表述为
Dout＝A·μ+b 公式六；
其中A是硅带隙电压变化的热力学温度范围，取值范围为(0,600)，B是将热力学温度转化为摄氏度的系数，取值范围为(0,273)。
7.根据权利要求3所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器的工作方法，其特征在于：所述ADC为12bit二阶Sigma-DeltaADC，二阶Sigma-Delta ADC的电路由±ΔVBE、VBE选择开关电路、采样保持电路、两级积分器、动态比较器构成，使用全差分的电路结构减小偶次噪声，用于将带有温度信息的电压信号转换为数字信号，其采样开关的采样电容的个数与ΔVBE的放大倍数α相关，按电压信号转换为数字信号的转换周期数目进行调整。
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