CN203965060U - 一种基于基准源的温度传感器电路 - Google Patents

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李荣宽
林杰
薛晓军
周骏
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Abstract

本实用新型公开了一种基于基准源的温度传感器电路，包括：基准源模块，将输入电压转换生成与绝度温度成正比的PTAT电压，并提供给温度传感器模块；温度传感器模块，连接所述基准源模块，并将温度信号转化为模拟电压信号。利用基准源热电压与温度成线性的关系，采用基准源产生PTAT电压的方式来设计温度传感器。使得电路系统对于温度的监测更加精准，解决了利用电阻的温度系数设计的温度传感器的高阶温度影响系数对温度传感器模块的影响问题。

Description

一种基于基准源的温度传感器电路
技术领域
本实用新型涉及一种电路结构，尤其涉及一种基于基准源的温度传感器电路。
背景技术
随着社会的不断进步，各种精密仪器的不断诞生，使得对于检测精度的要求也随之提高，尤其是对于整个电路系统的温度的监测，因为其关乎整个电路系统的正常运行以及精确监测。为了提高整个电路系统温度的稳定性及对电路系统中温度的进行监测，电路设计者会考虑在电路系统中设计温度传感器模块，这样做有两个好处，其一，是利用外部温度补偿的方法提高整个电路系统温度的稳定性，其二，通过温度传感器模块将温度信号转换为电信号从而实现对电路系统的温度进行监测。
一般大多采用第二种方式将温度信号转换为电信号从而实现对电路系统的温度进行监测。传统中将温度信号转换为电信号方式包括：利用电阻的温度系数，即温度变化导致电阻值得变化，从而使得电信号产生变化；利用MOS管阀值电压的温度系数。该两种方法都可以实现对电路系统中温度的监测，但是前者由于高阶温度影响系数的存在，而使得温度传感器的线性度低，从而监测的精度较低。后者虽然精度有所提高，但是MOS管得阀值电压与工艺的关系较大，使得整个温度传感器电路的一致性较差，从而导致整体效果不佳。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、监测精度高、一致性好的温度传感器电路。
为了解决以上技术问题，本实用新型一种基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，包括：基准源模块，将输入电压转换生成与绝度温度成正比的PTAT电压，并提供给温度传感器模块；温度传感器模块，连接所述基准源模块，并将温度信号转化为模拟电压信号。
优选的，所述温度传感器模块为电压串联负反馈电路。
优选的，所述温度传感器模块为同相比例运算电路。
优选的，所述同相比例运算电路包括运算放大器A2、电阻器R7、电阻器R8，PTAT电压进入所述运算放大器A2正向输入端，所述运算放大器A2反向输入端与所述电阻器R7的一端和所述电阻器R8的一端的相连，所述电阻器R7的另一端与所述运算放大器A2的输出端相连，所述电阻器R8的另一端连接到地。
优选的，所述基准源模块包括还包括基准电压输出端。
优选的，所述基准源模块包括Brokaw带隙基准电压源。
优选的，所述Brokaw带隙基准电压源包括电阻器R1，其一端与电源电压Vin相连，另一端与运算放大器A1的正向输入端及双极型晶体管Q1的集电极相连；电阻器R2，其一端与电源电压Vin相连，另一端与运算放大器A1的反向输入端及双极型晶体管Q2的集电极相连；双极型晶体管Q1的发射极与节点a相连，双极型晶体管Q2的发射极通过电阻器R3与节点a相连；电阻器R4一端与节点a相连，另一端与地相连；双极型晶体管Q1、Q2的基极相连。
优选的，所述Brokaw带隙基准电压源还包括用于提升基准电压的分压电路。
优选的，所述分压电路包括电阻器R5、R6，所述电阻器R5、R6同时与双极型晶体管Q1、Q2的基极相连，电阻器R5的另一端与运算放大器A1的输出端，电阻器R6的另一端接地。
优选的，所述Brokaw带隙基准电压源还包括用于提高基准电压输出稳定性的补偿电容器CL，电容器CL的一端及基准电压输出端Vref相连，电容器CL的另一端接地。
利用基准源热电压与温度成线性的关系，采用基准源产生PTAT(与绝对温度成正比)电压的方式来设计温度传感器。使得电路系统对于温度的监测更加精准，去除了高阶温度影响系数对温度传感器模块的影响。
同时，基准源采用Brokaw带隙基准电压源，使得基准源产生的PTAT电压仅与两个晶体管得PN结压降VBE有关，一般情况下，VBE由晶体管的发射结提供，而其与电源电压几乎无关，所以由此得到的PTAT电压与电源电压无关，由此PTAT电压能够与温度产生非常好的线性关系，而且此PTAT电压也同时用来设计高精度的基准源电路，因此能够用来实现高线性度和高精度的温度传感器。
本基准源电路采用Brokaw单元的结构，而Brokaw单元的优点为：Bandgap结构，电路一致性好；低温度漂移；能够抑制电路中非理想因素对于电路输出的影响。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明：
图1是本实用新型基于基准源的温度传感器电路的实施例的电路示意图；
图2是本实用新型基于基准源的温度传感器电路的实施例的电路在模式电路系统中应用的框图；
图3是本实用新型基于基准源的温度传感器电路的实施例的电路在数字电路系统中应用的框图；
图4是本实用新型基于基准源的温度传感器电路的实施例的电路模拟数字混合电路系统中应用的框图。
具体实施方式
实施例：
本实用新型一种基于基准源的温度传感器电路，包括：基准源模块，将输入电压转换生成与绝度温度成正比的PTAT电压，温度传感器模块，连接所述基准源模块，并将温度信号转化为模拟电压信号。
如图1所示，基准源模块1包括PTAT电压输出节点a，以及基准电压Vref输出端，其中PTAT电压的输出节点a连接温度传感器模块2。在本实施例中，所述温度传感器模块2为一个同相比例运算电路，所述同相比例运算电路包括运算放大器A2、电阻器R7、电阻器R8，PTAT电压进入所述运算放大器A2正向输入端，所述运算放大器A2反向输入端与所述电阻器R7的一端和所述电阻器R8的一端的相连，所述电阻器R7的另一端与所述运算放大器A2的输出端相连，所述电阻器R8的另一端连接到地。
根据同相比例运算电路的特性，运算放大器A2的净输入电压为零，净输入电流为零，因此，Vtsen＝(1+R7/R8)Va，其中Va即为节点a出的电压，及基准源提供的热电压PTAT。由此可知，温度传感器模块输出的电压取决于Va、电阻器R7以及电阻器R8的关系。
如图1所示，所述基准源模块2包括Brokaw带隙基准电压源。所述包括Brokaw带隙基准电压源，电阻器R1，其一端与电源电压Vin相连，另一端与运算放大器A1的正向输入端及双极型晶体管Q1的集电极相连；电阻器R2，其一端与电源电压Vin相连，另一端与运算放大器A1的反向输入端及双极型晶体管Q2的集电极相连；双极型晶体管Q1的发射极与节点a相连，双极型晶体管Q2的发射极通过电阻器R3与节点a相连；电阻器R4一端与节点a相连，另一端与地相连；双极型晶体管Q1、Q2的基极相连，并与电阻器R5、电阻器R6的一端相连；电阻器R5的另一端与运算放大器A1的输出端、电容器CL的一端及基准电压输出端Vref相连；电阻器R6的另一端接地，电容器CL的另一端接地。
带隙基准电压源是通过一个与绝对温度成正比的电压和两个晶体管的基极-发射极的电压差相加而得到的一个直流电压，而Brokaw结构指其运算放大器采用了差分结构，由此具有了大增益和小失调的电压，使运算放大器对基准核心电路的影响减弱。即：Vref＝VBE+KVa。一般情况下，VBE由晶体管的发射结提供，Va由两个晶体管得PN结压降VBE之差提供，将上式对温度求导，通过选择适当的k值，可以得到在某一温度下，电路的温度系数为零，由此，即说明得到得基准电压与热电压都与电源输入电压以及温度系数无关。
由于基准电压与输入电压无关，一般情况下，基准电压源输出的基准电压都比较低，本实施例给出了利用分压的关系提升了基准电压值，当然，如果电路系统中所需要的基准电压值不高的情况下，也可以不设置该电路，当然也可以利用其它方式提升基准电压输出值。补偿电容也是根据对基准电压的输出要求而定。
在本实施例中给出的电阻器、晶体管以及电容器指等效后的，可以是单个元器件，也可以是多个器件的并串联组合。
本实施例中得基于基准源的温度温度传感器电路，可以通过模拟电压量来表现温度，既可以实时监测芯片内部温度，也可以利用此温度传感器的输出电压对系统进行温度补偿，以提高系统对温度变化的稳定性。同时也可以当作基准源电路使用，为电路系统提供高精度、低温漂的基准电压。在需要温度补偿的模拟系统中，如图2所示，使用本实用新型的基准源输出Vref作为系统中运算放大器的模拟地，可以减小温度变化对运算放大器输出信号的影响。对于无法进行内部温度补偿的部分，将系统输出电压Vo与温度传感器输出Vtsen连接到一个加法器模块进行温度补偿，可以得到温度系数小的输出电压Vo1。在需要温度补偿的数字系统中，如图3所示，通过模拟数字转换器将温度传感器输出Vtsen转换成数字信号DTsen，再将数字信号Do和DTsen连接到温度补偿计算模块进行温度补偿，可以得到温度系数小的数字信号Dout。同理，本实用新型也可以在模拟数字混合系统中实现温度补偿功能，如图4所示。其中，Do指受温度变化影响较大的数字输出，Dout指运算补偿后受温度变化影响很小的数字输出。
利用基准源热电压与温度成线性的关系，采用基准源产生PTAT(与绝对温度成正比)电压的方式来设计温度传感器。使得电路系统对于温度的监测更加精准，解决了利用电阻的温度系数设计的温度传感器的高阶温度影响系数对温度传感器模块的影响问题。
同时，基准源采用Brokaw带隙基准电压源，使得基准源产生的PTAT电压仅与两个晶体管得PN结压降VBE有关，一般情况下，VBE由晶体管的发射结提供，而其与电源电压几乎无关，所以由此得到的PTAT电压与电源电压无关，由此PTAT电压能够与温度产生非常好的线性关系，而且此PTAT电压也同时用来设计高精度的基准源电路，因此能够用来实现高线性度和高精度的温度传感器。
本基准源电路采用Brokaw单元的结构，而Brokaw单元的优点为：Bandgap结构，电路一致性好；低温度漂移；能够抑制电路中非理想因素对于电路输出的影响。
需要强调的是，本实用新型的保护范围包含但不限于上述具体实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该被视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，包括：
基准源模块，将输入电压转换生成与绝度温度成正比的PTAT电压，并提供给温度传感器模块；
温度传感器模块，连接所述基准源模块，并将温度信号转化为模拟电压信号。
2.根据权利要求1所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述温度传感器模块为电压串联负反馈电路。
3.根据权利要求2所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述温度传感器模块为同相比例运算电路。
4.根据权利要求3所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述同相比例运算电路包括运算放大器A2、电阻器R7、电阻器R8，PTAT电压进入所述运算放大器A2正向输入端，所述运算放大器A2反向输入端与所述电阻器R7的一端和所述电阻器R8的一端的相连，所述电阻器R7的另一端与所述运算放大器A2的输出端相连，所述电阻器R8的另一端连接到地。
5.根据权利要求1所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述基准源模块包括还包括基准电压输出端。
6.根据权利要求5所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述基准源模块包括Brokaw带隙基准电压源。
7.根据权利要求6所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述Brokaw带隙基准电压源包括电阻器R1，其一端与电源电压Vin相连，另一端与运算放大器A1的正向输入端及双极型晶体管Q1的集电极相连；电阻器R2，其一端与电源电压Vin相连，另一端与运算放大器A1的反向输入端及双极型晶体管Q2的集电极相连；双极型晶体管Q1的发射极与节点a相连，双极型晶体管Q2的发射极通过电阻器R3与节点a相连；电阻器R4一端与节点a相连，另一端与地相连；双极型晶体管Q1、Q2的基极相连。
8.根据权利要求7所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述Brokaw带隙基准电压源还包括用于提升基准电压的分压电路。
9.根据权利要求8所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述分压电路包括电阻器R5、R6，所述电阻器R5、R6同时与双极型晶体管Q1、Q2的基极相连，电阻器R5的另一端与运算放大器A1的输出端，电阻器R6的另一端接地。
10.根据权利要求7所述的基于基准源的温度传感器电路，其特征在于，所述Brokaw带隙基准电压源还包括用于提高基准电压输出稳定性的补偿电容器CL，电容器CL的一端及基准电压输出端Vref相连，电容器CL的另一端接地。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104198066A (zh) * 2014-07-31 2014-12-10 嘉兴市纳杰微电子技术有限公司 一种基于基准源的温度传感器电路
CN110638442A (zh) * 2019-10-10 2020-01-03 沃立(常州)医疗科技有限公司 心电监测系统及心电监测方法

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