CN1517687A - 对电源电压和温度变化不敏感的温度检测电路 - Google Patents

Abstract

一种温度检测电路包括运算放大器、参考电流发生器、温度检测电压发生器、比较器和带隙参考电压发生器。运算放大器接收带隙参考电压和第一电压。参考电流发生器根据运算放大器的输出信号产生第一电压和参考电压。温度检测电压发生器根据环境温度和运算放大器的输出信号产生温度检测电压。比较器比较参考电压和温度检测电压以产生温度控制信号。带隙参考电压发生器产生带隙参考电压。因此，在电源电压和温度变化的情况下，本发明的温度检测电路也能够稳定地执行高温或低温检测，从而保护集成电路的操作。

Description

对电源电压和温度变化不敏感的温度检测电路

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，更具体地说，涉及一种对电源电压和温度变化不敏感的温度检测电路。

背景技术

许多生产过程对过程控制实施温度监测，而且，微控制器或微处理器以数字形式使用测量温度的方法。集成电路(IC)通常不使用外部组件来测量温度，而是以数字形式直接读取温度。这种IC温度检测器可以被嵌入到其他集成电路中。

通常，IC具有预定的工作温度范围，超过该范围，就会产生包括设备失效在内的错误。为确保IC不会工作在预定工作温度范围之外，就在IC内部配置温度检测器。如果IC的温度超过了预定温度，温度检测器使IC停止其工作，以防止数据错误和可靠性问题的发生。然而，常规温度检测电路通常对电源电压和半导体过程变化很敏感。

因此，需要一种对电源电压变化和温度变化不敏感的温度检测电路。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种温度检测电路，该电路从实质上避免了由于相关技术的局限和缺点而带来的一个或多个问题。

本发明的一个目的是提供一种对电源电压和温度变化不敏感的温度检测电路。

对于本发明的其他优点、目的和特点，其中一部分将在随后的描述中进行阐述，一部分对本领域普通技术人员来说通过以下的分析是显而易见的，或者可以通过本发明的实践来理解。可以通过本发明的书面说明书及其权利要求书以及附图中具体指出的结构来认识和获得本发明的目的和其他优点。

根据本发明的实施例，温度检测电路包括运算放大器、参考电流发生器、温度检测电压发生器、比较器和带隙(band gap)参考电压发生器。运算放大器接收带隙参考电压和第一电压；参考电流发生器根据运算放大器的输出信号产生第一电压和参考电压；温度检测电压发生器根据环境温度和运算放大器的输出信号产生温度检测电压；比较器将参考电压和温度检测电压进行比较，并产生温度控制信号；带隙参考电压发生器产生带隙参考电压。

带隙参考电压发生器包括第一参考电流单元，该单元包含串联在电源电压和接地电压之间的第一PMOS晶体管、第一电阻器、第一PNP晶体管。带隙参考电压发生器还包括第二参考电流单元，该单元包含串联在电源电压和接地电压之间的第二PMOS晶体管、第二电阻器、第三电阻器和第二PNP晶体管。带隙参考电压发生器包括运算放大器，该运算放大器包含连接到第一电阻器和第一PNP晶体管之间的第一节点的第一输入端子、连接到第二电阻器和第三电阻器之间的第二节点的第二输入端子和连接到第一和第二PMOS晶体管的栅极的输出端子。第一和第二PNP晶体管具有连接到偏置电压的基极。参考电流发生器包括第一PMOS晶体管以及串联在第一PMOS晶体管的漏极和接地电压之间的第一到第三电阻器，其中第一PMOS晶体管的源极连接到电源电压、栅极连接到运算放大器的输出端子。这里，第一电阻器和第二电阻器之间的电压电平为第一电压。温度检测电压发生器包括第二PMOS晶体管、串联到第二PMOS晶体管漏极的第四和第五电阻器以及位于第五电阻器和接地电压之间的作二极管连接(diode-connected)的PNP晶体管，其中第二PMOS晶体管的源极连接到电源电压、栅极连接到运算放大器的输出端子。这里，第四电阻器和第五电阻器之间的电压为温度检测电压。

因此，即使电源电压和温度发生变化，本发明的温度检测电路也能够稳定地检测高温和低温，从而保护集成电路的操作。

应该理解，对本发明的前面的概述和后面的详细描述都是示例性和解释性的，用于对如权利要求所述的本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图能够提供对本发明的进一步理解，包含在且构成本申请的一部分，并且阐述本发明的实施例，并与说明书一起用来阐述本发明的原理。其中：

图1是根据本发明实施例的温度检测电路的简图；

图2是图1所示的带隙参考电压发生器的电路图；

图3是图1所示的温度检测电路的特性图；

图4是示出产生图1所示温度控制信号的曲线图；和

图5是根据本发明申请的温度检测电路的特性图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的优选实施例，附图中将示出其示例。然而，本发明不仅局限于本文所描述的实施例，本文的实施例是为了提供对本发明的范围及实质的更容易、全面的理解。在可能的情况下，附图中相同的标号表示相同或相似的部分。

图1示出根据本发明实施例的温度检测电路。参考图1，温度检测电路100包含带隙参考电压发生器110、运算放大器115、参考电流发生器120、温度检测电压发生器130和比较器140。温度检测电路100是采用CMOS工艺制造的。带隙参考电压发生器110产生带隙参考电压VBGR。带隙参考电压VBGR由运算放大器115接收。参考电流发生器120根据运算放大器115的输出信号产生参考电压VREF。响应于运算放大器115的输出信号，温度检测电压发生器130根据温度变化产生温度检测电压VTD。比较器140将参考电压VREF和温度检测电压VTD进行比较，来产生温度控制信号THDET。

带隙参考电压发生器110产生稳定的带隙参考电压VBGR。带隙参考电压VBGR不受电源电压和温度变化的影响。带隙参考电压发生器110可以利用不同的结构来实现，图2所示的带隙参考电压发生器110采用CMOS工艺实现。参考图2，带隙参考电压发生器110包含第一参考电流单元210、第二参考电流单元220和运算放大器230。第一参考电流单元210包含串联在电源电压VDD和接地电压之间的第一PMOS晶体管M1、第一电阻器R1和第一PNP晶体管Q1。第二参考电流单元220包含串联在电源电压VDD和接地电压之间的第二PMOS晶体管M2、第二电阻器R2、第三电阻器R3和第二PNP晶体管Q2。运算放大器230包含第一输入端子，连接到第一电阻器R1和第一PNP晶体管Q1之间的第一节点N1；第二输入端子，连接到第二电阻器R2和第三电阻器R3之间的第二节点N2；和输出端资，连接到第一和第二PMOS晶体管M1、M2的栅极。第一和第二PNP晶体管Q1、Q2具有连接到偏置电压Vbias的基极。

带隙参考电压发生器110使用由运算放大器230的输出信号控制的电流源。偏置电流I₁和I₂依赖于晶体管M1和M2的栅源电压(VGS)。因此，即使运算放大器230的输出发生了改变，如果晶体管M1和M2互相匹配，偏置电流I₁和I₂也会发生不匹配，因为晶体管M1和M2的栅源电压VGS的变化彼此相等。因此，即使电源电压和温度发生了变化，也会稳定地产生大约1.26V电压电平的带隙参考电压VBGR。

再参考图1，参考电流发生器120包含栅极与运算放大器115相连的第一PMOS晶体管MP1和串联到第一PMOS晶体管MP1漏极的第一到第三电阻器R1、R2和R3。第一电流IR1流经第一PMOS晶体管MP1和第一到第三电阻器R1、R2和R3。第一电阻器R1和第二电阻器R2之间的节点电压为第一内部电压Va，第二电阻器R2和第三电阻器R3之间的节点电压为参考电压VREF。

运算放大器115执行操作，以便使带隙参考电压VBGR和第一内部电压Va具有相同的电压电平。运算放大器115输出预定电压信号，来接通第一PMOS晶体管MP1。如果第一内部电压Va低于带隙参考电压VBGR，则运算放大器115产生其电平与接地电压VSS完全相等的电压信号，并强接通第一PMOS晶体管MP1，以便使大量的电流IR1流动。流经第二和第三电阻器R2、R3的大量电流IR1提高了第一内部电压Va的电平。结果，第一内部电压Va的电平变得与带隙参考电压VBGR的值相等。如果第一内部电压Va高于带隙参考电压VBGR，运算放大器115产生其电平与电源电压VCC完全相等的电压信号，并弱接通第一PMOS晶体管MP1，以便使少量的电流IR1流动。流经第二和第三电阻器R2、R3的少量电流IR1降低了内部电压Va的电平。结果，较高的第一内部电压Va的电平变得与带隙参考电压VBGR的电平相等。

这里，流经第一电阻器R1的电流IR1的表达式如下：

$\mathrm{IR}1=\frac{\mathrm{Va}}{R2+R3}$

因为第一内部电压Va与带隙参考电压相等，流经第一电阻器R1的电流IR1如表达式1所示。

$\mathrm{IR}1=\frac{\mathrm{VBGR}}{R2+R3}$ (表达式1)

可以如下表达参考电压VREF：

$\mathrm{VREF}=\mathrm{Va}\×\frac{R3}{R2+R3}=\mathrm{VBGR}\×\frac{R3}{R2+R3}$

温度检测电压发生器130包含串联在电源电压VCC和接地电压VSS之间的第二PMOS晶体管MP2、第四和第五电阻器R4、R5以及PNP晶体管QP1。第二PMOS晶体管MP2由运算放大器115的输出信号来控制。第四电阻器R4和第五电阻器R5之间的节点电压为温度检测电压VTD。

这里，由于第一PMOS晶体管MP1的栅源电压(VGS)与第二PMOS晶体管MP2的栅源电压相等，流经第一PMOS晶体管MP1的电流与流经第二PMOS晶体管MP2的电流也相等。

换句话说，IMP1＝IMP2，于是IR1＝IR4。

因此，温度检测电压VTD可如下表示：

VTD＝VBE(QP1)+IR4×R5＝VBE(QP1)+IR1×R5    (表达式2)

同时，设置第一到第五电阻器R1、R2、R3、R4和R5具有相同的温度常量。即使由于环境温度变化而导致电阻发生变化，每个电阻器两端之间的电压仍保持稳定状态。如果第五电阻器R5的电阻随着基于相应温度常量的温度而增加，则第五电阻器两端之间的电压VR5可如下表示：

VR5＝IR5×(R5+ΔR5)＝IR1×(R5+ΔR5)

因为第二和第三电阻器也具有相同的温度常量，从表达式1可以看出，流经第一电阻器R1的电流IR1减少了，电流IR1可如下表示：

$\mathrm{IR}1=\frac{\mathrm{VBGR}}{R2+\mathrm{\ΔR}2+R3+\mathrm{\ΔR}3}$

由于IR1＝IR5，流经第五电阻器R5的电流IR5也减少了。因此，与环境温度的变化无关，电阻器R5两端之间的电压VR5仍然保持稳定。

在表达式2的基础上，用表达式3来表示温度检测电压VTD：

VTD＝VBE(QP1)+IR4×R5＝VBE(QP1)+IR1×R5＝VBE+VR5(表达式3)

如上所述，由于第五电阻器R5两端之间的电压不依赖于温度，所以温度检测电压VTD受PNP晶体管QP1的基极-发射极电压(VBE)的影响。PNP晶体管QP1具有采用CMOS工艺形成的寄生结构，并具有温度常量-2mV/℃。因此，PNP晶体管具有随温度增加而电压降低的特性。

比较器140比较参考电压VREF和温度检测电压VTD，并且当温度检测电压VTD低于参考电压VREF时，产生温度控制信号。温度控制信号THDET用作使集成电路的内部操作停止的信号。

图3和图4是图1所示的温度检测电路100的特性图。参考图3，在-40℃到130℃的温度范围内，可以稳定地产生大约-1.2V电平的带隙参考电压VBGR，稳定地产生-0.9V电平的参考电压VREF。温度检测电压VTD具有负斜率。在温度检测电压VTD低于参考电压VREF的温度下，也就是大约120℃时，温度检测电路100产生低电平温度控制信号THDET，该值表示用于集成电路操作的高温阈值。如图4所示，低电平温度控制信号THDET使集成电路的操作停止。

图5是温度检测电路100的特性图，表示用于根据本发明申请的集成电路操作的低温阈值。参考图5，在温度检测电路100中，第四电阻器R4的电阻增加，第五电阻器R5的电阻降低，从而使温度检测电压VTD的曲线向下移动。这意味着减少电流IR4和电阻器R5的电阻使温度检测电压VTD的电平降低。

因此，即使电源电压和环境温度发生变化，本发明的温度检测电路也能稳定地执行高温或低温检测，从而保护集成电路的操作。

可以对本发明进行各种修改和各种改变，这对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明能够包含在所附权利要求及其等价方案的范围之内的对本发明所作的各种修改和改变。

Claims (5)

1.一种温度检测电路，包括：

运算放大器，用于接收带隙参考电压和第一电压；

参考电流发生器，用于根据所述运算放大器的输出信号产生所述第一电压和参考电压；

温度检测电压发生器，用于根据环境温度和所述运算放大器的输出信号产生温度检测电压；和

比较器，用于比较所述参考电压信号和所述温度检测电压信号以产生温度控制信号。

2.如权利要求1所述的温度检测电路，还包括用于产生所述带隙参考电压的带隙参考电压发生器，所述带隙参考电压发生器包括：

第一参考电流单元，包括串联在电源电压和接地电压之间的第一PMOS晶体管、第一电阻器和第一PNP晶体管；

第二参考电流单元，包括串联在所述电源电压和所述接地电压之间的第二PMOS晶体管、第二电阻器、第三电阻器和第二PNP晶体管；和

运算放大器，包括第一输入端子，连接到所述第一电阻器和所述第一PNP晶体管之间的第一节点；第二输入端子，连接到所述第二电阻器和所述第三电阻器之间的第二节点；和输出端子，连接到所述第一和第二PMOS晶体管的栅极，

所述第一和第二PNP晶体管具有连接到偏置电压的基极。

3.如权利要求1所述的温度检测电路，其中所述参考电流发生器包括：

第一PMOS晶体管，包括连接到电源电压的源极和连接到所述运算放大器的输出端子的栅极；和

第一到第三电阻器，串联在所述第一PMOS晶体管和所述接地电压之间，

所述第一电阻器和所述第二电阻器之间的电压电平是所述第一电压。

4.如权利要求1所述的温度检测电路，其中所述温度检测电压发生器包括：

第二PMOS晶体管，包括连接到电源电压的源极和连接到所述运算放大器的输出端子的栅极；

第四和第五电阻器，串连到所述第二PMOS晶体管的漏极；和

作二极管连接的PNP晶体管，位于所述第五电阻器和所述接地电压之间，

所述第四电阻器和所述第五电阻器之间的电压电平是所述温度检测电压。

5.如权利要求1所述的温度检测电路，其中所述温度检测电路是采用CMOS工艺制造的。

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