CN1955703A - 通过平移转换参考电平以进行校正的温度测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度测量电路具有一电流激发电路、一计算电路、一校正值产生电路、以及一模拟到数字转换电路。电流激发电路依序施加至少二个电流至一热传感器，使得热传感器对应地产生至少二个输出信号。响应于该至少二个输出信号，计算电路计算出一模拟温度信号，其代表热传感器所检测到的温度。模拟到数字转换电路依据一转换参考电平而将模拟温度信号转换成一数字温度信号。转换参考电平依据校正值产生电路所产生的一校正值而平移调整。

Description

通过平移转换参考电平以进行校正的温度测量电路

技术领域

本发明系涉及一种温度测量电路，尤其涉及一种通过平移模拟到数字转换电路的转换参考电平而实现误差校正功能的温度测量电路。

背景技术

由于二极管组件的半导体pn接面或晶体管组件的基极与射极间的半导体pn接面两端所呈现的电位差与流经其间的电流彼此相关联并且为温度的函数，所以在集成电路技术领域中广泛利用此半导体pn接面来检测温度。图1显示了现有的温度测量电路10的电路组成示意图。典型地，温度测量电路10被设置来监测外界系统20的温度。举例而言，外界系统20为一计算机、电子装置、或特定的电路区域，其中设有可提供一半导体pn接面以检测温度的热传感器21。如图所示，热传感器21由一pnp双载子晶体管所实施，其基极与射极间之半导体pn接面用以检测温度。

在温度测量电路10中，电流源电路11的开关S₁与S₂由控制电路12决定导通与不导通，以便分别允许不同的电流I₁与I₂施加至热传感器21。假设电流I₁施加至热传感器21所造成的基极与射极间之电位差为V_BE1而电流I₂施加至热传感器21所造成的基极与射极间之电位差为V_BE2，则计算电路13使电位差V_BE1与V_BE2彼此相减后可得到下列方程式(1)：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}=V_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(\frac{I_1}{I_2}\right)+(I_1-I_2)(R_e+\frac{R_b}{\mathrm{\β}})---\left(1\right)$

其中K为波兹曼(Boltzmann)常数、T为绝对温度、q为基本电荷、R_e为射极的串联寄生电阻、R_b为基极的串联寄生电阻、并且β为晶体管的增益系数(gain)。因此，计算电路13所产生的电位差ΔV_BE是一随温度变化而可代表温度的模拟信号。随后，模拟到数字转换电路(analog-to-digital converter，ADC)14使此模拟温度信号转换成一数字温度信号。

从方程式(1)可知，热传感器21的串联寄生电阻R_e与R_b引起一与温度无关的常数项，亦即(I₁-I₂)(R_e+R_b/β)。为了消除此种串联寄生电阻R_e与R_b所造成的误差，现有技术通常使用三种或更多种不同的电流，依序激发相同的热传感器21，以期望实现准确的温度测量结果。然而，使用三种或更多种不同的电流的现有激发方式不仅造成操作频率迅速增大而且更导致不必要的能量消耗与温度变动。即使在操作频率维持固定的条件下，更多种不同的电流的依序激发方式将不可避免地延长每次温度测量循环所需的时间，因而降低温度测量电路10的反应速度。

另一方面，温度测量电路10实际上所测量的是其上形成有热传感器21的半导体基板的温度，而此测量结果可能与外界系统20的真正代表性温度并不相同。举例而言，当外界系统20是一计算机时，人们有兴趣的通常是测量外界系统20的散热板22的温度，而非设置有热传感器21的半导体基板的温度。在此情况中，外界系统20的制造商提供有关散热板22与热传感器21的基板间存在的温度差异数据ΔT，以便现有的温度测量电路10将其储存于一缓存器15中。随后，加法电路16将模拟到数字转换电路14的数字输出与缓存器15中的温度差异数据ΔT彼此相加，以便产生一最终的温度信号Tmp。

发明内容

有鉴于前述问题，本发明的目的在于提供一种温度测量电路，通过平移模拟到数字转换电路的转换参考电平而实现误差校正功能。

依据本发明的一方面，提供一种温度测量电路，具有一电流激发电路、一计算电路、一校正值产生电路、以及一模拟到数字转换电路。电流激发电路依序施加至少二个电流至一热传感器，使得该热传感器对应地产生至少二个输出信号。响应于该至少二个输出信号，计算电路计算出一模拟温度信号，其代表该热传感器所检测到的一温度。校正值产生电路产生一校正值。模拟到数字转换电路依据一转换参考电平而将该模拟温度信号转换成一数字温度信号。该转换参考电平依据该校正值而平移调整。

该热传感器具有一半导体pn接面，使得该至少二个电流依序流经该半导体pn接面而在其上分别产生至少两个电位差，作为该至少二个输出信号。该校正值是通过该电流激发电路依序施加至少三个电流至该热传感器而计算出，使得该校正值用以修正该模拟温度信号的一常数项误差。该热传感器系设置于一外界系统的一基板中。该校正值由该外界系统所提供，以修正该热传感器所检测到的该温度与该外界系统的一代表性温度之间的一差异。

依据本发明的另一方面，提供一种温度测量方法，具有下列步骤。首先，依序施加至少二个电流至一热传感器，使得该热传感器对应地产生至少二个输出信号。响应于该至少二个输出信号而计算出一模拟温度信号，其代表该热传感器所检测到的一温度。产生一校正值。依据一转换参考电平而将该模拟温度信号转换成一数字温度信号。该转换参考电平依据该校正值而平移调整。

依据本发明的另一方面，提供一种电流激发电路，用以激发一热传感器。该电流激发电路具有一测量电流源电路、一校正电流源电路、一校正控制电路、以及一测量控制电路。测量电流源电路提供一第一测量电流和一第二测量电流。校正电流源电路提供一校正电流。校正控制电路允许该第一测量电流、该第二测量电流、与该校正电流依序施加至该热传感器，用以测量有关于该热传感器的一常数项误差。测量控制电路允许该第一测量电流和该第二测量电流依序施加至该热传感器，用以测量该热传感器的一温度。该校正控制电路比该测量控制电路更早被激活以进行该常数项误差的测量。

附图说明

图1显示了现有的温度测量电路的电路组成示意图；

图2显示了依据本发明的温度测量电路的电路组成示意图；

图3(A)至3(C)显示了依据本发明的计算电路的操作状态图；

图4显示了依据本发明的平移校正型模拟到数字转换电路的操作原理示意图；以及

图5显示依据了本发明的模拟到数字转换电路的例子的详细电路图。

主要组件符号说明

10、温度测量电路                11、电流源电路

12、控制电路                    13、计算电路

14、模拟到数字转换电路(ADC)     15、缓存器

16、加法电路                    20、外界系统

21、热传感器                    22、散热板

30、温度测量电路                31、测量电流源电路

32、校正电流源电路              33、测量控制电路

34、校正控制电路                35、计算电路

36、校正值产生电路

37、平移校正型模拟到数字转换电路(ADC)

41、乘法器                      42、加法器

43、校正缓存器                  51、取样/调变电路

52、时脉产生器                        53、计数器

54、除频器                            55、输出缓存器

AM、差动放大器                        C_a～C_d、电容

CF、校正值                            CLK、时脉信号

I₁，I₂、测量电流                    I₃、校正电流

R_b，R_e、串联寄生电阻                RST、重设信号

S₁，S₂，S₃，S_a～S_d、开关        Tmp、温度测量结果

V_BE、基极与射极间的电位差             dΔV_BE、常数项误差

ΔT、温度差异数据

具体实施方式

下文中的说明与附图将使本发明的前述与其它目的、特征、与优点更明显。兹将参照附图详细说明依据本发明的较佳实施例。

图2显示了依据本发明的温度测量电路30的电路组成示意图。在温度测量电路30中，一种电流激发电路由一测量电流源电路31、一校正电流源电路32、一测量控制电路33、以及一校正控制电路34所共同构成。测量电流源电路31具有第一和第二测量电流I₁与I₂，分别经由开关S₁与S₂而供应至热传感器21的射极。校正电流源电路32具有一个校正电流I₃，经由开关S₃而供应至热传感器21的射极。在温度测量电路30开始测量热传感器21的温度前，校正控制电路34必须先被激活以控制第一和第二测量电流I₁与I₂以及校正电流I₃依序施加至热传感器21。假设电流I₁、I₂、与I₃对于热传感器21所造成的基极与射极间的电位差分别为V_BE1、V_BE2、与V_BE3，则计算电路35可计算出一方程式(2)所下所示：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}1}=V_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(\frac{I_1}{I_2}\right)+(I_1-I_2)(R_e+\frac{R_b}{\mathrm{\β}})$

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}2}=V_{\mathrm{BE}2}-V_{\mathrm{BE}3}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(\frac{I_2}{I_3}\right)+(I_2-I_3)(R_e+\frac{R_b}{\mathrm{\β}})$

$\mathrm{d\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}1}-{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(\frac{I_1*I_3}{I_2*I_2}\right)+(I_1-2I_2-I_3)(R_e+\frac{R_b}{\mathrm{\β}})---\left(2\right)$

现在再假设电流I₁、I₂、与I₃间满足下列比例条件(3)：

I₁∶I₂∶I₃＝A²∶A∶1                (3)即第一测量电流I₁为第二测量电流I₂的A倍，并且第二测量电流I₂为校正电流I₃的A倍，其中A大于零，则方程式(2)可更进一步简化成如下所示的方程式(4)：

$\mathrm{d\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}={(A-1)}^2*I_3*(R_e+\frac{R_b}{\mathrm{\β}})---\left(4\right)$

因此，借着校正电流I₃的帮助，计算电路35可有效地检测出由串联寄生电阻R_e与R_b所造成的常数项误差dΔV_BE。随后，此常数项误差dΔV_BE传送至校正值产生电路36用以产生校正值CF。在一较佳实施例中，此校正值CF是在任何温度测量循环开始之前必须预先测定妥当，以提供后续所有温度测量循环的误差校正使用。

图3(A)至3(C)显示依据本发明的计算电路35在检测常数项误差dΔV_BE时的操作状态图。在图3(A)中，开关S_a导通、开关S_b导通、开关S_c使电容C_c耦合至差动放大器AM的非反相输入端(+)、并且开关S_d使电容C_d耦合至差动放大器AM的反相输入端(-)。此外，开关S₁导通且开关S₂与S₃都不导通，因而仅允许第一测量电流I₁施加至热传感器21而产生基极与射极间的第一电位差V_BE1。在此第一阶段中，由于差动放大器AM的非反相输入端(+)与反相输入端(-)处的电压都为零，所以差动放大器AM的输出电压V_out(1)为零。在图3(B)中，开关S_a与S_b都变为不导通。此外，开关S₂导通且开关S₁与S₃都不导通，因而仅允许第二测量电流I₂施加至热传感器21而产生基极与射极间的第二电位差V_BE2。在此第二阶段中，由于差动放大器AM的非反相输入端(+)与反相输入端(-)处的电压都为(V_BE1-V_BE2)/2，故差动放大器AM的输出电压V_out(2)为(V_BE1-V_BE2)。在图3(C)中，开关S_c变成使电容C_c耦合至差动放大器AM的反相输入端(-)，并且开关S_d变成使电容C_d耦合至差动放大器AM的非反相输入端(+)。此外，开关S₃导通且开关S₁与S₂都不导通，因而仅允许校正电流I₃施加至热传感器21而产生基极与射极间的第三电位差V_BE3。在此第三阶段中，差动放大器AM的输出电压V_out(3)变为(V_BE1-V_BE2)-(V_BE2-V_BE3)，即所欲检测的方程式(2)与(4)的常数项误差dΔV_BE。

请注意依据本发明中的校正电流源电路32与校正控制电路34在完成前述的常数项误差dΔV_BE的检测测程序并输出至校正值产生电路36后，即停止操作。换而言之，在进行温度测量循环时，温度测量电路30仅使用测量控制电路33控制测量电流源电路31依序施加第一和第二测量电流I₁与I₂至热传感器21。因此，计算电路35在温度测量循环中的操作状态仅局限于图3(A)与3(B)。在满足比例条件(3)且已测得方程式(4)的常数项误差dΔV_BE的情况下，计算电路35所获得的基极与射极间的电位差ΔV_BE可表示如下：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}=B_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\ln \left(A\right)+\left(\frac{A}{A-1}\right)\mathrm{d\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}---\left(5\right)$

因此，依据本发明中，利用第一与第二测量电流I₁与I₂所获得的电位差ΔV_BE只要被平移调整了一个常数项误差dΔV_BE与比例因子A/(A-1)的乘积，即可产生正确的温度测量结果。由于此常数项误差dΔV_BE已经预先经由校正电流I₃的协助而检测出并储存于校正值产生电路36，故无需于每一温度测量循环中再反复重新检测。

除了常数项误差dΔV_BE之外，校正值产生电路36也可接收由外界系统20所提供的有关热传感器21与散热板22间的温度差异数据ΔT。由于常数项误差dΔV_BE与温度差异数据ΔT都属于可平移校正的误差，故校正值产生电路36可将其整合成单一的校正值CF。基于此校正值CF，平移校正型模拟到数字转换电路37决定适当的转换参考电平。图4显示依据本发明的平移校正型模拟到数字转换电路37的操作原理示意图。广泛地说，模拟到数字转换电路37依据一预定的取样频率对于所接收的模拟信号Alg进行取样。随后，所取样而得的模拟结果在数学概念上可视为经由数字对应轴Dx而转换成一数字信号，其中此数字信号的实际值取决于转换参考电平REF的相对位置。举例而言，如图4所示，原始的转换参考电平REF向下方平移了一校正值CF后而形成一平移后的转换参考电平REF_S。对于原始的转换参考电平REF而言，模拟样本AS转换成数字信号Dgt1。唯有对于平移后的转换参考电平REF_S而言，模拟样本AS转换成数字信号Dgt2。因此，通过平移转换参考电平REF的方式，平移校正型模拟到数字转换电路37可有效地在模拟到数字的转换过程中进行常数项误差dΔV_BE与温度差异数据ΔT的校正而获得一正确的温度测量结果，无需额外进行习现有的加法运算程序。

图5显示依据本发明的模拟到数字转换电路37的例子的详细电路图。取样/调变电路51依据时脉产生器52所提供的时脉信号CLK而对于从计算电路35而来的基极与射极间的电位差ΔV_BE进行取样，并将取样结果调变成一脉冲序列信号。举例而言，取样/调变电路51得由一Delta-Sigma模拟到数字调变器所实施，因而此脉冲序列信号系模拟样本所对应的数字信号。从取样/调变电路51而来的脉冲序列信号施加至计数器53。在一预定的周期内，计数器53计数所接收到的脉冲序列信号中的脉冲数目。由于计数器53的计数方式是从一计数基准值开始向上递增计数，故平移调整此计数基准值的效果即等同于平移调整计数器53所计算而得的计数结果，因此本发明人将此技术原理应用于温度测量结果的常数项误差校正上。

具体而言，计数器53的计数基准值由校正值产生电路36所提供的校正值CF所决定。在校正值产生电路36中，从计算电路35而来的常数项误差dΔV_BE经由乘法器41乘上比例因子A/(A-1)，且随后经由加法器42而与从外界系统20而来的温度差异数据ΔT相加，以合成所期望的单一校正值CF并储存于校正缓存器43内。换而言之，图5所示的实施例通过平移调整计数器53的计数基准值而实现图4的平移转换参考电平REF的目的。另一方面，除频器54将时脉产生器52的时脉信号CLK除频，以产生一较低频率的重设信号RST。在一实施例中，除频器54所产生的重设信号RST的频率将时脉产生器52的时脉信号CLK的频率除以1024而得。因此，在时脉信号CLK经过1024个周期后，计数器53会被重设回到计数基准值，以便重新开始计数。同样地，此计数基准值由校正值产生电路36所提供的校正值CF所决定。此外，计数器53在时脉信号CLK的1024个周期内所计数而得的结果传送至输出缓存器55，作为温度测量结果Tmp而输出至外界。此温度测量结果Tmp也依据重设信号RST的频率而更新。

虽然本发明已借助于较佳实施例作为例示加以说明，应该了解：本发明不限于此所公开的实施例。相反地，本发明意欲涵盖对于本领域普通技术人员而言明显的各种修改与相似配置。因此，权利要求的范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。

Claims (10)

1、一种温度测量电路，包含：

一电流激发电路，用于依序施加至少二个电流至一热传感器，使得该热传感器对应地产生至少二个输出信号；

一计算电路，用于响应于该至少二个输出信号而计算出一模拟温度信号，其代表该热传感器所检测到的一温度；

一校正值产生电路，用于产生一校正值；以及

一模拟到数字转换电路，依据一转换参考电平而将该模拟温度信号转换成一数字温度信号，

其中，该转换参考电平依据该校正值而平移调整。

2、如权利要求1所述的温度测量电路，其中：

该热传感器具有一半导体pn接面，使得该至少二个电流依序流经该半导体pn接面而在其上分别产生至少两个电位差，作为该至少二个输出信号。

3、如权利要求1所述的温度测量电路，其中：

该校正值是通过该电流激发电路依序施加至少三个电流至该热传感器而计算出的，使得该校正值用于修正该模拟温度信号的一常数项误差。

4、如权利要求3所述的温度测量电路，其中：

该常数项误差由该热传感器的至少一串联寄生电阻所产生。

5、如权利要求1所述的温度测量电路，其中：

该热传感器设置于一外界系统的一基板中，并且

该校正值由该外界系统所提供，以修正该热传感器所检测到的该温度与该外界系统的代表性温度之间的差异。

6、如权利要求1所述的温度测量电路，其中：

该模拟到数字转换电路包含：

一取样/调变电路，响应于该模拟温度信号而产生一脉冲序列信号，以及

一计数器，响应于该脉冲序列信号而在一预定的周期内产生一计数结果，其代表该脉冲序列信号的脉冲的数目，

其中，该计数结果从一基准值起递增，并且该基准值由该校正值所设定。

7、一种温度测量方法，包含：

依序施加至少二个电流至一热传感器，使得该热传感器对应地产生至少二个输出信号；

响应于该至少二个输出信号而计算出一模拟温度信号，其代表该热传感器所检测到的一温度；

产生一校正值；以及

依据一转换参考电平而将该模拟温度信号转换成一数字温度信号，

其中，该转换参考电平依据该校正值而平移调整。

8、一种电流激发电路，用以激发一热传感器，包含：

一测量电流源电路，用于提供一第一测量电流和一第二测量电流；

一校正电流源电路，用于提供一校正电流；

一校正控制电路，用于允许该第一测量电流、该第二测量电流、和该校正电流依序施加至该热传感器，以便测量有关于该热传感器的一常数项误差；以及

一测量控制电路，用于允许该第一测量电流和该第二测量电流依序施加至该热传感器，以便测量该热传感器的温度，

其中，该校正控制电路比该测量控制电路更早被激活以进行该常数项误差的测量。

9、如权利要求8所述的电流激发电路，其中：

该第一测量电流为该第二测量电流的A倍，并且

该第二测量电流为该校正电流的A倍，其中，A大于零。

10、如权利要求8所述的电流激发电路，其中：

在该测量控制电路被激活以进行该温度的测量后，该校正控制电路即停止操作。

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