CN204831597U - 片上集成温度传感器电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种片上集成温度传感器电路，其基于寄生双极晶体管，内置了一个12位的∑-ΔADC，8倍的可编程增益放大器，嵌入了带隙电压参考源，以及1位偏移DAC和数字后端处理器。利用标准CMOS工艺中的衬底PNP晶体管作为其主要的温度感应件，以及采用全温范围内的两点校准技术消除温度器件的非线性，从而实现了9微瓦功耗和±0.4℃温度精度的片上集成温度传感器电路。本实用新型利用标准CMOS工艺中的衬底PNP晶体管作为温度感应件，以及采用全温范围内的两点校准技术消除温度器件的非线性，从而实现低功耗高精度的片上集成温度传感器电路，满足测量精度(±0.5℃)和低功耗要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种片上集成温度传感器电路。
背景技术
温度传感器广泛使用在测量、仪器仪表和控制系统中，是一种可生产的集成电路温度传感器，并且是理想的批量生成的低成本产品。而且，这种温度传感器可以通过IC技术集成在一个电子芯片上。这种智能温度传感器相比于传统的温度传感器有明显的优势，它可以直接和MCU或PC机通信，在应用时减少了复杂和模块化的系统的使用。
目前报道的使用CMOS工艺的测温方案有很多种，非专利文献1利用CMOS工艺的两个衬底三极管(PNP)的基一射电压差ΔVE的温度特性，一个带隙基准电压和∑-ΔADC得到数字输出，该文献报道在一55℃-125℃温度测量精度可达±0.1℃，但是该设计使用动态元件匹配、斩波放大器和∑-ΔDAC减小误差。而且利用二阶∑-ΔDAC作为模数转换器，电路结构复杂，占用芯片面积大，对于片上温度传感器来说，这不是一种经济的方案。非专利文献2中采用了反相器链的延迟时间随温度变化的特性来测量温度，最后通过一个TDC得到被测温度的数字值，电路过于复杂，功耗也较高，不符合低功耗要求。非专利文献3中利用MOS晶体管的阈值电压的温度特性得到负温度特性电压，然后驱动一个VCO，得出频率与温度成比例的振荡信号。但是晶体管的阈值电压的工艺偏差非常大，校准成本较高。
非专利文献1：“ACMOSSmartTemperaturesensorWitha3σInaccuracyof0.1℃From55℃to125℃”(PertijsM，MakinwaK，HuijsingH，IEEE，J.Solid-StateCircuit，2005，40(12)：2805-2815.)
非专利文献2：“ATime-to-Digital-Converter-BasedCM-OSSmartTemperatureSensor”(IEEE，J.Solid-StateCircuit，2005，40(8)：1642-1648.)
非专利文献3：“ANovelBuilt-inCMOSTemperatureSensorforVLSICircuits”(WangNailong，ZhangSheng，ZhouRunde，ChineseJournalofSemiconductors，2004：25(3)：252-255.)
实用新型内容
本实用新型目的是：提供一种片上集成温度传感器电路。
本实用新型的技术方案是：一种片上集成温度传感器电路，其包括：寄生双极晶体管，与寄生双极晶体管输出相连的可编程增益放大器、与可编程增益放大器输出相连的一模数转换器、与模数转换器输入相连的偏移数模转换器、输出与模数转换器相连的带隙电压参考源、和与模数转换器输出相连的数字后端处理器。
在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
所述寄生双极晶体管中的衬底PNP晶体管为温度感应件。
所述所述寄生双极晶体管为CMOS工艺的晶体管，可编程增益放大器为8倍增益放大，模数转换器为12位的delta-sigma模数转换器，偏移数模转换器的位数为1位。
所述模数转换器包括了一模拟调制器、和一数字滤波器。
本实用新型优点是：
本实用新型利用标准CMOS工艺中的衬底PNP晶体管作为其主要的温度感应件，以及采用全温范围内的两点校准技术消除温度器件的非线性，从而实现低功耗高精度的片上集成温度传感器电路，满足测量精度(±0.5℃)和低功耗要求。
附图说明
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
图1为本实用新型的电路架构图；
图2为本实用新型中两衬底PNP产生PTAT电压示意图；
图3为本实用新型中PTAT/R偏置电路原理图；
图4为本实用新型中偏置电流源的动态元件匹配产生一个准确的ΔVBE的示意图；
图5为本实用新型中ADC第一级积分器的电路框图及其时序图；
图6为本实用新型中ADC第一级积分器的时序图；
图7为本实用新型中可编程增益放大器和偏移DAC后的温度传感器核的电压跨度图；
图8为本实用新型中基于MonteCarlo仿真的两点校正后的温度传感器的积分非线性误差图。
具体实施方式
实施例：以下将结合图1～图6对本实用新型专利的片上集成温度传感器电路作进一步的详细描述。本实用新型专利的片上集成温度传感器电路，利用标准CMOS工艺中的衬底PNP晶体管作为其主要的温度感应件，以及采用全温范围内的两点校准技术消除温度器件的非线性，从而实现低功耗高精度的片上集成温度传感器电路。
现以一具体实施例详细说明本实用新型专利低功耗高精度片上集成温度传感器电路：
为了实时检测芯片内部电路的温度变化，以补偿参考电压等有温度系数的电路造成的增益误差。本实用新型专利提出的低功耗高精度片上集成温度传感器电路，其系统框图参见图1，该温度传感器是利用标准CMOS工艺中的衬底PNP晶体管作为其主要的温度感应件，以及采用全温范围内的两点校准技术消除温度器件的非线性。整个系统是基于寄生双极晶体管，内置了一个12位的∑-ΔADC，8倍的可编程增益放大器，嵌入了带隙电压参考源，以及1位偏移DAC和数字后端处理器。
图2是基于双极晶体管BJT的温度传感器的工作原理，两个相同衬底的PNP晶体管QR和QL以1∶p的电流比被偏置。QR的基极-发射极电压VBE1是绝对温度(CTAT)电压的一种互补，以下将分析电路误差的主要来源和消除技术：
一是电流增益β的影响，可采用PTAT偏置电路以消除这种依赖VBE的电流增益；此外，运算放大器中的偏移是可以用斩波电路消除。CMOS温度传感器是基于PNP双极型晶体管设计的。其中硅衬底常与地相连，因此须通过其发射极使PNP偏置。这种连接确保了基极-集电极的电压为零，这也使得集电极电流小于所应用的发射极电流。PTAT偏置电路将被用于消除这种依赖VBE的电流增益，参见图3。基极-发射极电压和电流增益是相互独立的。此外，运算放大器中的偏移是可以用斩波电路消除。
二是电流源的失配，可通过对连续循环的∑Δ调制器轮换单位电流源，失配误差可通过MonteCarlo仿真使之最小化；此外，动态元器件的匹配是由失配的平均值来表示，所要求的平均是由∑Δ调制器的积分器来完成的。为产生一个准确的PTAT电压，两个晶体管必须工作在一个良好的电流密度比的状态。这样的比例可通过使用两个具有不同发射极面积和/或不同偏置电流的晶体管而获得，可参考图2。动态元器件的匹配是由失配的平均值来表示。图4显示的是六个电流源提供了由偏置电路产生的电流源。每个电流源提供1μA电流，使用一组开关，每个电流可以针对QL或者是QR。其中一个是切换到一个晶体管，提供1∶7比例的单位电流，而且其余的电流将被切换到其他晶体管。在取得的电流比的误差取决于单位电流源与其他电流源的均值的失配。通过对连续循环的∑Δ调制器轮换单位电流源，失配误差可通过MonteCarlo仿真使之最小化。所要求的平均是由∑Δ调制器的积分器来完成的。
三是ADC偏移误差，斩波电路技术被用于∑Δ调制器中以消除这种误差。ADC中重要的非理想因素是偏移电压VOS，其可直接作用于ΔVBE。例如，±30μV的偏移将能导致±0.1K左右的温度误差。如果提供的典型的CMOS电路有mV级的偏移，就必须使用一些偏移消除技术。在本实用新型专利中，斩波电路技术被用于∑Δ调制器中以消除这种误差。
四是增益误差，可通过两点校准来消除。增益的误差来源有两个：一是ADC的增益误差，另一种是参考电压的变化。增益误差可通过两点校准来消除。
本实用新型的低功耗高精度片上集成温度传感器电路，主要包含了12位∑-Δ模数转换器、8倍的可编程增益放大器和1位偏移数模转换器。其中，∑-Δ模数转换器包括了一个模拟调制器和一个数字滤波器，对速度要求不高的应用下都是理想的，如温度传感器数据转换。
考虑到电路复杂度和转换时间，选择二阶调制器作为一个折衷方案。比例因子ai、bi和ci必须正确设置以确保所有积分器的输出不超过其线性输出摆幅区。为了设置这些参数，首先是要找到最大的DC输入信号，使得调制器保持稳定。
对噪声和模拟阻抗来说，∑Δ调制器的输入节点比环路中其他节点更敏感，与此同时，在第一级积分器和后续积分器中使用折叠级联运算放大器。参考图5，第一级积分器中使用斩波电路可以使得所采样的温度信号消除偏移和减小噪声。当采样频率(fs)约为32kHz时，过采样率(OSR)是128，而斩波频率可以设置为较低的时钟速度(8/OSR)×FS。
调制器采样的温度信号(ΔVBE)是来自温度核。从-40℃到120℃，温度信号的范围大约从39mV到67mV，而ADC的输入范围是±430mV，参考图7。为了充分利用ADC的动态范围，采用一个PGA电路来放大温度信号。增益因子α是8，它是在第一级积分器中靠通过切换8倍更大的采样电容来实现。通过放大8倍的PGA后，温度信号范围将从313mV到534mV。它已经超出了ADC的最大输入范围。因此，通过使用一个偏移DAC将温度信号从边缘下拉到ADC输入范围的中间，参考图7。
通过本实用新型专利的实施，该温度传感器电路经过三种工艺角(典型的、最好的、最差的)条件下在-40℃到120℃的全温度范围内进行仿真，功耗为9微瓦，而且温度结果在-20℃和100℃两个温度点被校准，校准结果的精度是±0.4℃，参见图8，满足了设计要求。
本实用新型专利提出的低功耗高精度片上集成温度传感器电路，是基于寄生双极晶体管，内置了一个12位的∑-ΔADC，8倍的可编程增益放大器，嵌入了带隙电压参考源，以及1位偏移DAC和数字后端处理器。利用标准CMOS工艺中的衬底PNP晶体管作为其主要的温度感应件，以及采用全温范围内的两点校准技术消除温度器件的非线性，从而实现低功耗高精度的片上集成温度传感器电路。
当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种片上集成温度传感器电路，其特征在于其包括：寄生双极晶体管、与寄生双极晶体管输出相连的可编程增益放大器、与可编程增益放大器输出相连的一模数转换器、与模数转换器输入相连的偏移数模转换器、输出与模数转换器相连的带隙电压参考源、和与模数转换器输出相连的数字后端处理器。
2.如权利要求1所述的一种片上集成温度传感器电路，其特征在于：所述寄生双极晶体管中的衬底PNP晶体管为温度感应件。
3.如权利要求1所述的一种片上集成温度传感器电路，其特征在于：所述所述寄生双极晶体管为CMOS工艺的晶体管，可编程增益放大器为8倍增益放大，模数转换器为12位的delta-sigma模数转换器，偏移数模转换器的位数为1位。
4.如权利要求1所述的一种片上集成温度传感器电路，其特征在于：所述模数转换器包括了一模拟调制器、和一数字滤波器。
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