CN1955702A - 温度感测器 - Google Patents

Abstract

一种温度感测器，包括：温度相依元件、比较器单元、第一电容器与第二电容器、第一切换电容器与第二切换电容器。其温度相依元件具有一个输入端与一个输出端，其输入端选择性的耦接于第一电流源或第二电流源。比较器单元包括比较器、第一回授电容器及第二回授电容器。第一切换电容器的一端耦接于第一比较器输入端，且第一切换电容器的另一端选择性的耦接于两个不同电压之一；及第二切换电容器的一端耦接于该第二比较器输入端，且第二切换电容器的另一端选择性的耦接于两个不同电压之一。

Description

温度感测器

技术领域

本发明是关于一种温度感测器，且特别是关于一种利用两个电容(capacitor)耦接于温度独立电压(temperature-independent voltage)来增加信号噪声比(signal-noise ratio，简称S/N ratio)的温度感测器(temperature sensor)。

背景技术

近来，在互补性金属氧化物半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，简称CMOS)技术中经常利用双极性晶体管(bipolartransistor)或是二极管(diode)当作温度感测器。传统的温度感测器如图1A所示；温度感测器10中的二极管100通过开关102选择性的耦接于第一电流源130或第二电流源132。感测器运作时，二极管100耦接于第一电流源130，并流过电流If1。电容器120与电容器122皆具有相同的电容值(capacitance)C1，上述两电容的电压差可藉由下列方程式获得：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln ({\mathrm{If}}_1/I_s)$

接下来，上述的二极管100在耦接于第一电流源130之后，将会切换并耦接于第二电流源132。

因此，在通过此一包括电容120-126与比较器110的切换电容电路运作之后，其输出电压Vout可藉由以下方程式获得：

$\mathrm{Vout}=\frac{C1}{C2}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \frac{{\mathrm{If}}_1}{{\mathrm{If}}_2}$

换言之，上述的输出电压Vout与绝对温度k成一比例关系。然而，在实际的感测应用范围是极少低于-40℃的。虽然理论上上述的温度器可以适用的温度感测范围为-273℃至127℃，但是在-273℃至-40℃的感测范围却是极少利用到的。图1B所示为常用的温度感测器的电压温度变化曲线图。如图1B所示，当温度为127℃时，其输出电压为3.3V，温度为-40℃时，其输出电压为1.9V。非常明显的，当-273℃至-40℃的感测范围不使用时，便浪费0V至1.9V的电压变化范围。所以仅能使用感测电压变化范围中的一部份(1.9V～3.3V)表示温度变化范围(-40℃～127℃)，其温度感测的精确度也因此而受到限制。

发明内容

本发明的目的是在提供一种可增加信号噪声比与感测精确度的温度感测器。

本发明提供一种温度感测器，包括温度相依(temperature-dependent)元件、比较器单元(comparator unit)、第一电容器与第二电容器及第一切换电容器与第二切换电容器。上述的温度相依元件更具有一输入端与一输出端，其输入端选择性的耦接于第一电流源与第二电流源其中之一。上述的比较器单元包括比较器(comparator)、第一回授电容与第二回授电容；上述的比较器更包括第一比较器输入端、第二比较器输入端及第一比较器输出端与第二比较器输出端。上述的第一回授电容器耦接于第一比较器输入端与第一比较器输出端之间，上述的第二回授电容器则耦接于第二比较器输入端与第二比较器输出端之间。

再者，上述的第一电容器耦接于前述温度相依元件的输入端与第一比较器输入端之间，其第二电容器耦接于温度相依元件的输出端与第二比较器输入端之间。上述的第一切换电容器的一端耦接于第一比较器输入端，另一端则选择性的耦接于两个不同电压之一。上述的第二切换电容器的一端耦接于第二比较器输入端，另一端则选择性的耦接于两个不同电压之一。

精确地说，耦接于第一切换电容器与第二切换电容器的电压皆为温度独立电压(temperature-independent voltage)。

在一实施例中，当温度相依元件耦接于第二电流源时，第一切换电容器耦接于第一预设电压及第二切换电容器耦接于第二预设电压。

根据上述，当温度相依元件在第一/第二电流源间切换的时候，其第一/第二切换电容器会在第一/第二预设电压与接地间切换，而位于第一/第二比较器输出端上的输出电压就会受到相应的影响。因此，任何熟习此技艺者皆能轻易的将某段选定的温度范围对应到一段选定的电压范围上，并且轻易的设计出感测结果中的信号噪声比与精确度。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1A绘示先前技术的温度感测器。

图1B绘示一典型温度感测器的电压温度变化曲线图。

图2为根据于本发明一实施例的温度感测器电路图。

图3为根据于本发明一实施例的温度感测器的电压温度变化曲线图。

100：二极管                    102：开关

110：比较器                    120：第一电容器

122：第二电容器                124：第一回授电容器

126：第二回授电容器            130：第一电流源

132：第二电流源                 200：温度相依元件

202：开关                       220：第一电容器

222：第二电容器                 230：第一电流源

232：第二电流源                 250：比较器单元

252：比较器                     252a：第一比较器输入端

252b：第二比较器输入端          252c：第一比较器输出端

252d：第二比较器输出端          254：第一回授电容

256：第二回授电容               260：第一切换电容器

262：开关                       270：第二切换电容器

272：开关                       Vout：输出电压

C1、C2、C3：电容值              Vi：第一预设电压

V2：第二预设电压                GND：接地端

If1、If2：电流值

具体实施方式

下文特举本发明一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。无论在图式中还是本文的描述里，除非另外说明，相同的参考号码或是标号即是表示作用相同或相似的元件。

以下说明请参照图2，图2为根据本发明的一实施例的一种温度感测器电路图。在本实施例中，温度感测器20包括一温度相依元件200、一比较器单元250、电容器220/222及切换电容器260/270(以下简称电容器)。比较器单元250包括一比较器252及回授电容254/256(以下简称电容器)。温度相依元件200的输入端与输出端间的电位差与温度有关，举例而言，此关系可为正比或反比。上述的电压差为输出端与输入端的电压差。虽然在本实施例中，温度相依元件200为二极管，但在实际应用上，亦可使用二极管耦接金属氧化半导体或是双极性晶体管加以取代。再者，电容器220与电容器222的电容值皆为C1，电容器254与电容器256的电容值皆为C2，电容器260与电容器270的电容值皆为C3。

请参阅图2所示：温度相依元件200的输入端通过开关202选择性的耦接于第一电流源230或第二电流源232。此外，温度相依元件200的输入端再耦接于电容器220的一端，上述电容器220的另一端耦接于比较器输入端252a。温度相依元件200的输出端耦接于电容器222的一端，上述电容器222的另一端耦接于比较器输入端252b。电容器254耦接于比较器输入端252a(本实施例中的正输入端)与比较器输出端252c(本实施例中的负输出端)，电容器256耦接于比较器输入端252b(本实施例中的负输入端)与比较器输出端252d(本实施例中的正输出端)。

本实施例的主要特征为温度感测器20具有电容器260与电容器270。电容器260的一端耦接于比较器输入端252a，而电容器260的另一端则选择性的耦接于接地端GND或第一预设电压V1。电容器270的一端耦接于比较器输入端252b，而电容器270的另一端则选择性的耦接于接地端GND与第二预设电压V2其中之一。在本实施例中，第一预设电压V1与第二预设电压V2皆为温度独立电压。

本温度感测器20的运作过程如下所述；首先，温度相依元件200耦接于第一电流源230并通过电流If1，电容器260与电容器270分别利用开关262与开关272耦接于接地端GND。接下来，温度相依元件200耦接于第二电流源232并通过电流If2，电容器260耦接于V1，电容器270耦接V2。因此，储存在电容器260与电容器270中的电荷可以分别耦合至电容器254与电容器256，使得因电流If1而在电容器220与电容器222所增加的电荷得到补偿，并改变其输出电压Vout。

输出电压Vout由比较器输出端252c与252d所产生，并可由

下列方程式计算；

$\mathrm{Vout}=\frac{C1}{C2}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \frac{{\mathrm{If}}_1}{{\mathrm{If}}_2}-\frac{C3}{C2}(V1-V2)$

因此，藉由选择C1，C2，C3，V1及V2等不同的参数值可以改变输出电压Vout。如图3所示：任何熟习此技艺者皆可轻易的决定C1，C2，C3，V1及V2等不同的参数值，使得输出电压Vout不同于图1B中所示的输出电压。举例来说，当温度为-40℃时，其输出电压为0V，以及当温度为127℃时，其相对应的输出电压为3.3V。

比较图1B中的电压温度变化曲线，上述本实施例在温度变化范围为-40℃至127℃时，其相对表示的电压变化范围为0V至3.3V。因此，显然提升了温度感测器20的准确度，或是代表其信号噪声比的提升。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1、一种温度感测器，其特征在于其包括：

一温度相依元件，具有一输入端与一输出端，该输入端选择性的耦接于一第一电流源与一第二电流源的一端；

一比较器单元，包括：

一比较器，具有一第一比较器输入端与一第二比较器输入端及一第一比较器输出端与一第二比较器输出端；

一第一回授电容器，耦接于该第一比较器输入端与该第一比较器输出端；及

一第二回授电容器，耦接于该第二比较器输入端与该第二比较器输出端；

一第一电容器，耦接于该输入端与该第一比较器输入端；

一第二电容器，耦接于该输出端与该第二比较器输入端；

一第一切换电容器，该第一切换电容器的一端耦接于该第一比较器输入端，该第一切换电容器的另一端选择性的耦接于两个不同电压之一；及

一第二切换电容器，该第二切换电容器的一端耦接于该第二比较器输入端，该第二切换电容器的另一端选择性的耦接于两个不同电压之一。

2、根据权利要求1所述的温度感测器，其特征在于其中所述的温度相依元件包括一双极性晶体管。

3、根据权利要求1所述之温度感测器，其特征在于其中所述的温度相依元件包括一二极管。

4、根据权利要求3所述的温度感测器，其特征在于其中所述的二极管的阳极端为该输入端，该二极管的阴极端为该输出端。

5、根据权利要求1所述的温度感测器，其特征在于其更包括当该温度相依元件耦接于该第二电流源时，该第一切换电容器与该第二切换电容器分别耦接于一第一预设电压与一第二预设电压。

6、根据权利要求1所述的温度感测器，其特征在于其中耦接于该第一切换电容器与该第二切换电容器的该电压为温度独立电压。

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