CN117309171A - 一种低功耗低成本数字cmos温度传感器 - Google Patents

一种低功耗低成本数字cmos温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成传感器技术领域，提出了一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器。本温度传感器在CMOS工艺下实现，可在低于数字供电电压下正常工作，并且免去寄生三极管匹配，占用面积小消耗功耗低。本发明所提出的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器包括：一组寄生三极管、镜像电流源电路、模数转换电路、温度校准电路、控制逻辑模块、电压校准模块。本发明所提出的CMOS温度传感器，克服传统CMOS数字温度传感器需要匹配多组寄生三极管的占用面积大，进入误差的局限，同时克服了由于基准电压VBG较高而导致温度传感器无法在数字电路电源下工作的局限，使得温度传感器工作电压以及功耗更低，面积更小，检测精度更高。

Description

一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器
技术领域
本发明是关于温度传感器领域，特别涉及一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器及测温方法。
背景技术
CMOS温度传感器因其体积小、易于集成、成本低，而且可直接输出数字信号等优点，广泛用于各类片上系统、工农业物联网以及无线传感网络等应用场景。然而不同的具体应用场景对CMOS温度传感器的设计也提出了相应的挑战。如片上系统里的实时时钟校准应用需要高精度的温度传感器；而片上热管理应用强调超小面积以及低电压工作；各类物联网应用则对其功耗提出了苛刻的要求；此外，进一步降低温度传感器在量产中的校准成本也有重要的应用价值。
CMOS温度传感器中，基于BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)的CMOS温度传感器由于物理特性稳定，精度高而应用最为广泛。如图1所示，BJT发射极基准电压VBE与温度线性负相关，两个BJT的发射极基准电压ΔVBE与温度线性正相关，取参考电压VREF＝VBE+α·ΔVBE，与温度无关。对图1中两个BJT的发射极基准电压ΔVBE放大α倍，并经过数模转换输出VPTAT与VREF的比值，数值越大则温度也越大(PTAT:proportional toabsolute temperature)，具体可参考图2。但是，该类传统CMOS温度传感器，具有以下几方面局限性：第一，为了产生与温度正相关的电压ΔVBE和负相关的电压VBE，通常在电路中需要采用两组三极管，增加了电路整体的面积和复杂度；第二，由于采用两组三极管，需要同时有两组电流源分别对两组三极管进行偏置，增加了电路的功耗；第三，为了满足ΔVBE和VBE保持特定的比例，两组三极管需要进行匹配，会对温度传感器测温的精度产生影响；第四，由于所产生的参考电压VREF的值约为1.2V左右，此类传统CMOS温度传感器的工作电压往往需要大于1V，不利于低电压的应用场景，如无电池的传感器节点。综合以上四个方面，传统温度传感器具有面积较大、设计复杂，并不适合片上热管理中多点数字集成，以及低成本低电压的大规模无线传感物联网应用。因此，研究高精度、小面积、低电压、低成本的全数字温度传感器成为行业热点和难点。
发明内容
本发明的主要目的在于克服利用寄生三极管温压特性的传统CMOS数字温度传感器技术中的不足，提供一种能低于数字供电电压下正常工作，并且免去寄生三极管匹配，占用面积小的低功耗全数字温度传感器及其使用方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种可在低于数字供电电压下正常工作，并且免去寄生三极管匹配，占用面积小的低功耗全数字温度传感器，其特征包括：一组寄生三极管，镜像电流源电路，模数转换电路，温度校准电路，控制逻辑电路，电压校准电路，DEM控制模块，斩波控制模块。
所述的寄生三极管为CMOS芯片工艺的寄生PNP或NPN型三极管，其中：
所述的PNP三极管的基极与集电极相连接，NPN三极管的基极与射级相连接；
所述的PNP寄生三极管的射级与镜像电流源电路的第一支路、第二开关支路以及第三开关支路相连接；
所述的镜像电流源电路是只有三个支路的镜像电流源电路，或进行动态元件匹配(DEM)的镜像电流源电路；
所述的第一支路为镜像电流源电路的一个支路，其提供电流大小为IBias；
所述的第二开关支路为镜像电流源电路的一个支路，本支路通过第一开关将镜像电流源电路的第二支路与PNP寄生三极管的射级相连接，其提供电流大小为N·IBias；
所述的第三开关支路为镜像电流源电路的一个支路，本支路通过第二开关将镜像电流源电路的第二支路与PNP寄生三极管的射级相连接，其提供的电流大小随电压校准电路调制而变化。
所述的第一开关和第二开关由一个NMOS或PMOS管构成；
所述的PNP寄生三极管的射级向所述的模数转换电路输入端相连接，输出正温度系数电压ΔVBE和负温度系数电压VBE。
所述的模数转换电路是一阶、二阶或者在环路稳定前提下的更高阶数；
所述的一阶模数转换电路包括：第一电容，第二电容，第三电容，第三开关，第四开关，第五开关，第六开关，第一运算放大器，第一比较器，其中：
所述的第三开关正端与PNP寄生三极管的射级连接，负极与第一电容连接；
所述的第一电容一端与PNP寄生三极管的射级连接，另一端与第一运算放大器的反向输入端连接，用于存储VBE电压所产生的电荷；
所述的第二电容一端与第三开关负端以及第四开关正端相连接，另一端与第一运算放大器反向输入端连接，用于存储ΔVBE电压所产生的电荷；
所述的第四开关负极与地连接；
所述的第五开关两端分别与第一运算放大器的反向输入端与输出连接；
所述的第六开关两端分别与第一运算放大器的反向输入端与第三电容相串联；
所述的第三电容两端分别与第六开关与第一运算放大器的输出连接；
所述的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3其容值大小应满足关系：其中/>
所述的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3其容值大小选择应产生一个低于1.2V的带隙基准参考电压：
其中/>基于此关系，本发明提出的方案采用低压器件实现，且在低电源电压条件下工作；
所述的运算放大器是普通运算放大器，或斩波放大器；
所述的第一运算放大器的非反向输入端与地连接；
所述的第一比较器是差分输入也是单端输入；
所述的第一差分输入比较器非反向输入端与第一运算放大器的输出连接；
所述的第一差分输入比较器反向输入端与一参考电压VCOM连接；
所述的第一差分输入比较器输出端是模数转换电路的输出，其输出信号为经过调制的包含温度信息的脉冲宽度(PWM)信号。
所述的模数转换电路输出端与控制逻辑电路与电压校准电路连接，用于通过包含温度信息的PWM信号反馈给控制逻辑电路和电压校准电路分别对第一开关和第二开关进行控制。
所述的电压校准模块接收模数转换电路的输出信号和外部控制信号，输出数字信号对第二开关进行控制；
所述的控制逻辑将将接收系统时钟信号和模数转换电路输出信号，对第二开关进行控制，使得模数转换电路的输出达到电荷平衡；
所述的DEM控制模块将接收模数转换电路的输出信号，将输出动态元件匹配(DEM)数字控制信号对镜像电流源电路进行DEM控制，降低由失配而造成误差；
所述的斩波控制模块将接收模数转换电路的输出信号，将斩波(Chopping)控制数字控制信号对第一运算放大器进行斩波控制，降低由偏移电压而造成误差；
所述的温度校准电路输入端与模数转换电路的输出端连接，用于在数字域补偿校准温度检测误差，输出检测环境的温度值。
有益效果：
本发明所述的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器相比传统温度传感器功耗、面积以及电路设计复杂度均全面降低，特别是采用单组三极管作为感温器件，省去了采用一对三极管作为感温器件而造成的匹配问题，是一种经济、有效的片上温度传感器设计方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一实施例。
图1为现有传统CMOS数字温度传感器技术原理示意图；
图2为现有传统CMOS数字温度传感器技术原理示意图；
图3为简化的本发明所述的单组三极管一阶CMOS数字温度传感器技术原理示意图；
图4为简化的本发明所述的单组三极管一阶CMOS数字温度传感器技术原理示意图；
图5为本发明中所述的电荷平衡ΣΔ数模转换电路技术原理示意图；
图6为本发明中所述模数转换电路于一实施例中的结构示意图；
图7为本发明中所述模数转换电路于一实施例中的工作原理结构示意图；
图8为本发明中所述模数转换电路于一实施例中的工作原理结构示意图；
图9为本发明中所述模数转换电路于一实施例中的工作原理结构示意图；
图10为本发明所述温度传感器于一实施例中的结构示意图；
图11为本发明所述运算方法器Ut1的一实施例的输出波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图3所示的一种依靠单组寄生三极管进行温度测量的低功耗、低电压、低成本数字CMOS温度传感器包括单组寄生三极管Q1，镜像电流源电路模块，开关S1，开关S2，DEM控制模块，电压校准模块，控制逻辑模块，模数转换电路模块，斩波控制模块以及温度校准模块。其中，单组寄生三极管Q1用于感应环境温度变化，将温度变化反映为电压变化。镜像电流源电路用于为Q1提供偏置电流，开关S1用于调控Q1的偏置电流，产生ΔVBE，开关S2用于流片后对VBE进行校准修调，DEM控制模块用于控制镜像电流源电路各支路电流，减小由于器件失配引起的误差，电压校准模块用于控制开关S2进行VBE校准，控制逻辑模块用于控制S1，模数转换电路模块用于将模拟电压ΔVBE与VBE转换为数字量，斩波控制模块用于减小模数转换电路中放大器的电压偏移，温度校准模块用于在数字域对温度传感器进行校准。
在一些实施例中，如图4，图3中的DEM控制模块，电压校准模块，斩波控制模块被省去，虽然不影响温度传感器电路的功能，但会降低测温精度。如图4所示的实施例中，当S1断开时，IB始终对Q1进行偏置产生电压VBE1，此时，S3闭合，S2断开，采样保持电路2将采样电压VBE1并将其保持。当S1闭合时，IB和(N-1)IB同时对Q1进行偏置，流过Q1的电流为NIB产生电压VBE2(VBE2＞VBE1)，此时，S2闭合，S3断开，采样保持电路1将采样电压VBE2并将其保持，此时，单位增益运放U1的输出为ΔVBE＝VBE2-VBE1，此ΔVBE为与绝对温度成正比的电压VPTAT。由于采样保持电路2的输出始终为VBE1，经过增益模块输出为/>此电压为与绝对温度成反比例的电压VCTAT，ΔVBE与/>通过求和模块U2相加产生不随温度变化的基准电压此基准电压相比传统数字CMOS温度传感器所产生的1.2V的带隙基准电压成VBG要低，约为/>原理示意图见图5，此特性保证了本发明温度传感器低电压低功耗的特性。图4中的U3ΔΣADC将对输入ΔVBE和VREF-Low进行模拟量到数字量的转换，输出数字PWM信号DOUT。DOUT数字PWM信号中高电平脉冲与脉冲总数的比例为/>如前所述，VREF-Low为不随温度变化的常量，ΔVBE为与温度成正比的电压VPTAT，后续数字电路对DOUT进行滤波即可得到与温度成线性比例的数字信号。
在一些本发明的简化实施例中，图3、图4所示的ΔΣADC由如图6所示的电荷平衡ΔΣ模数转换器实施。当输出端PWM数字码流输出“1”时，开关S1断开，S2闭合，系统将减去ΔVBE所对应的电荷，并通过积分器模块使模拟电压VINT降低，进一步使量化器模块输出更多“0”，使PWM数字码流中的“0”增多，当PWM数字码流输出“0”时，开关S1闭合，S2断开，系统将加上VBE所对应的电荷，并通过积分器模块使模拟电压VINT升高，进一步使量化器模块输出更多“1”，使PWM数字码流中的“1”增多。在如此调控机制下，可实现ΔVBE与VBE的模拟到数字转换，且在输出PWM数字码流中包含的相关信息。
本发明的一个实施例如图7所示，基于图4、5、6所描述的本发明的工作原理，图7所示的电路实现了基于单组寄生三极管和低电源电压的数字温度传感器。其中，电容C1、C2、C3以及运算放大器Ut1和开关S1、S2、S3、S4、S5构成了图6所示电路中的积分器及开关，图6所示量化器由图7中比较器Ut2组成，VCOM为比较器的参考电压。图7所示温度传感器共有3个工作状态，分别在图8、9、10中展示。
如图8所示，在初始状态下，S1、S3、S5断开，S2、S4闭合，运算放大器Ut1同相输入端接地，A点电压始终为0。在IB偏置下，Q1所产的电压为VBE1，则存储在电容C1和C2上的电荷Q1＝VBE1·C1，VINT此时输出为0，此状态被称为“复位状态”。
如图9所示，当输出PWM数字码流DOUT产生较多“0”时，根据图6所示电荷平衡原理，DOUT将反馈给相关数字控制逻辑电路，控制开关S1、S2、S4断开，S3、S5闭合，根据开关电容电路工作原理，使积分器输出电压升高经过比较器Ut2量化使得输出DOUT中“1”的数量增加。由于此状态的结果是使积分器输出增加/>此状态被称为“电荷积累状态”，意味着向积分器输出端积累电荷。电荷积累状态后，电路又通过逻辑控制回到图8所示的复位状态。
如图10所示，当输出PWM数字码流DOUT产生较多“1”时，根据图6所示电荷平衡原理，DOUT将反馈给相关数字控制逻辑电路，控制开关S3、S4断开，S1、S2、S5闭合，此时，流过寄生三极管Q1的电流增加为NIB，产生更高的电压VBE2(VBE2＞VBE1)。由于电路在此状态的前一个状态为图8复位状态，Q1上所产生电压的差值ΔVBE＝VBE2-VBE1，根据电荷守恒原理，以及开关电容电路工作原理，由ΔVBE所产生的电荷将由C3提供，因此，积分器输出电压将降低经过比较器Ut2量化使得输出DOUT中“0”的数量增加。由于此状态的结果是使积分器输出降低/>此状态被称为“电荷抽取状态”，意味着向积分器输出端抽取电荷，使电压降低。电荷积抽取态后，电路又通过逻辑控制回到图8所示的复位状态。
图7、8、9、10所示的本发明实施例的温度传感器电路为一阶系统，其他本发明的实施例是高于一阶的系统。
本发明所述运算放大器Ut1的一实施例的输出波形如图11所示，经过比较器Ut2的量化后，本发明所述的温度传感器将输出脉宽调制的PWM脉冲波形，经过数字低通滤波即可得到表示温度的直流电压值。

Claims (8)

1.一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器，其特征包括：单组寄生三极管，镜像电流源电路，模数转换电路，温度校准电路，控制逻辑电路，电压校准电路，DEM控制模块，斩波控制模块，温度校准模块，其中，单组寄生三极管的基极与集电极连接在一起，并且与地连接，单组寄生三极管的射级同时与镜像电流源和模数转换电路的输入端相连接，控制逻辑电路、电压校准电路、DEM控制模块、斩波控制模块同时与模数转换电路的输出相连接，电压校准电路和控制逻辑电路还同时与和镜像电流源相连接的开关连接在一起，模数转换电路的输出与温度校准模块相连接，温度校准模块的输出将输出温度值。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器，其特征在于，
所述的寄生三极管为CMOS芯片工艺的寄生PNP或NPN型三极管，其中：
所述的PNP三极管的基极与集电极相连接，NPN三极管的基极与射级相连接；
所述的PNP寄生三极管的射级与镜像电流源电路的第一支路、第二开关支路以及第三开关支路相连接；
所述的镜像电流源电路的一种实现方式是采用只有三个支路的镜像电流源电路；
所述的镜像电流源电路的另外一种实现方式是进行动态元件匹配DEM的镜像电流源电路；
所述的第一支路为镜像电流源电路的一个支路，其提供电流大小为IBias；
所述的第二开关支路为镜像电流源电路的一个支路，本支路通过第一开关将镜像电流源电路的第二支路与PNP寄生三极管的射级相连接，其提供电流大小为N·IBias；
所述的第三开关支路为镜像电流源电路的一个支路，本支路通过第二开关将镜像电流源电路的第二支路与PNP寄生三极管的射级相连接，其提供的电流大小随电压校准电路调制而变化；
所述的第一开关和第二开关由一个NMOS或PMOS管构成；
所述的PNP寄生三极管的射级向所述的模数转换电路输入端相连接，输出正温度系数电压ΔVBE和负温度系数电压VBE。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器，其特征在于，
所述的模数转换电路是一阶、二阶或者在环路稳定前提下的更高阶数的模数转换电路；
所述的模数转换电路将直接或间接产生一个不随温度变化的基准电压此基准电压相比传统数字CMOS温度传感器所产生的1.2V的带隙基准电压成VBG要低，约为/>VREF-Low是一个低于带隙基准电压VBG的电压；
所述的模数转换电路将直接或间接输出包含信息的PWM数字信号码流，用于表示温度变化信息；
所述的模数转换电路包括：第一电容，第二电容，第三电容，第三开关，第四开关，第五开关，第六开关，第一运算放大器，第一比较器，其中：
所述的第三开关正端与PNP寄生三极管的射级连接，负极与第一电容连接；
所述的第一电容一端与PNP寄生三极管的射级连接，另一端与第一运算放大器的反向输入端连接，用于存储VBE电压所产生的电荷；
所述的第二电容一端与第三开关负端以及第四开关正端相连接，另一端与第一运算放大器反向输入端连接，用于存储ΔVBE电压所产生的电荷；
所述的第四开关负极与地连接；
所述的第五开关两端分别与第一运算放大器的反向输入端与输出连接；
所述的第六开关两端分别与第一运算放大器的反向输入端与第三电容相串联；
所述的第三电容两端分别与第六开关与第一运算放大器的输出连接；
所述的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3其容值大小应满足关系：其中
VREF为不随温度变化的参考电压；
所述的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3其容值大小选择应产生一个低于1.2V的带隙基准参考电压VLow-REF：
其中/>基于此关系，采用低压器件实现，在低电源电压条件下工作。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器，其特征在于，
所述的模数转换电路中的运算放大器是普通运算放大器或斩波放大器；
所述的第一运算放大器的非反向输入端与地连接。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器，其特征在于，
所述的模数转换电路中的第一比较器是差分输入或单端输入；
所述的第一差分输入比较器非反向输入端与第一运算放大器的输出连接；
所述的第一差分输入比较器反向输入端与一参考电压VCOM连接；
所述的第一差分输入比较器输出端是模数转换电路的输出，其输出信号为经过调制的包含温度信息的脉冲宽度PWM信号。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器，其特征在于，
所述的模数转换电路输出端与控制逻辑电路与电压校准电路连接，用于通过包含温度信息的PWM信号反馈给控制逻辑电路和电压校准电路分别对第一开关和第二开关进行控制。
7.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器，其特征在于，
所述的电压校准模块接收模数转换电路的输出信号和外部控制信号，输出数字信号对第二开关进行控制；
所述的控制逻辑将接收系统时钟信号和模数转换电路输出信号，对第二开关进行控制，使得模数转换电路的输出达到电荷平衡。
8.根据权利要求1所述的一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器，其特征在于，
所述的DEM控制模块将接收模数转换电路的输出信号，将输出动态元件匹配DEM数字控制信号对镜像电流源电路进行DEM控制，降低由失配而造成误差；
所述的斩波控制模块将接收模数转换电路的输出信号，将斩波控制数字控制信号对模数转换电路中的第一运算放大器进行斩波控制，降低由偏移电压而造成误差；
所述的温度校准电路输入端与模数转换电路的输出端连接，用于在数字域补偿校准温度检测误差，输出检测环境的温度值。
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