CN217403636U - 一种集成温度传感器、片上系统soc芯片和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种集成温度传感器、片上系统SOC芯片和电子设备,实现了结构简单、功耗低且版图面积小的集成温度传感器的设计开发。该集成温度传感器包括:脉冲发生器、振荡器、带隙基准电路和计数器;其中,所述带隙基准电路用于生成基准电压和与绝对温度成比例PTAT电流,并输出给所述振荡器;所述脉冲发生器用于生成一振荡频率恒定的脉冲信号;所述振荡器用于依据所述基准电压和所述PTAT电流生成一振荡频率与温度成正比的时钟信号;所述计数器用于在所述脉冲信号为第一电平时对所述时钟信号计数,在所述脉冲信号为第二电平时复位所述计数器并输出温度的数字码值。

Description

一种集成温度传感器、片上系统SOC芯片和电子设备
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域,更具体地说,涉及一种集成温度传感器、片上系统SOC芯片和电子设备。
背景技术
传统的集成温度传感器主要由感温单元和模数转换器组成,其工作原理为:先由感温单元将温度转换为模拟信号,再由模数转换器将该模拟信号转换成数字信号。模数转换器的使用虽然保证了集成温度传感器的高精度,但同时也带来了整体电路结构复杂、功耗及版图面积大的问题。而对于大部分SOC(System-on-a-Chip,片上系统)芯片来说,仅需对芯片内核的温度进行监控并保障主体电路的良好运行即可,而对精度的要求并不高,设计高精度的集成温度传感器反而带来了结构复杂、功耗及版图面积大的问题。
实用新型内容
有鉴于此,本实用新型提供一种集成温度传感器、片上系统SOC芯片和电子设备,以实现结构简单、功耗低且版图面积小的集成温度传感器的设计开发,可广泛应用于对低功耗要求比较高的中低精度的测温场景。
一种集成温度传感器,包括:脉冲发生器、振荡器、带隙基准电路和计数器;
其中,所述带隙基准电路用于生成基准电压和与绝对温度成比例PTAT电流,并输出给所述振荡器;
所述脉冲发生器用于生成一振荡频率恒定的脉冲信号;
所述振荡器用于依据所述基准电压和所述PTAT电流生成一振荡频率与温度成正比的时钟信号;
所述计数器用于在所述脉冲信号为第一电平时对所述时钟信号计数,在所述脉冲信号为第二电平时复位所述计数器并输出温度的数字码值。
可选的,所述第一电平为低电平,所述第二电平为高电平。
可选的,所述脉冲信号在经过预设时间后才首次跳变为所述第一电平。
可选的,所述在经过预设时间后,是指:在所述振荡器经过预设个振荡周期后。
可选的,所述振荡器包括:第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、 RS触发器、第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第五PMOS管M5、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7、第八PMOS管M8、第一NMOS管M9,第二NMOS管M10,第一电容C1、第二电容C2、电阻R1和反相器INV1;
其中,所述带隙基准电路的基准电压输出端连接所述第一比较器COMP1 和第二比较器COMP2的同相输入端;
所述第一比较器COMP1的反相输入端与第一电容C1的上极板、第一 NMOS管M9的漏极和第五PMOS管M5的漏极连接;所述第二比较器COMP2 的反相输入端与第二电容C2的上极板、第八PMOS管M8的漏极和第二 NMOS管M10的漏极连接;
第一电容C1的下极板、第二电容C2的下极板、第一NMOS管M9的源极和第二NMOS管M10的源极均接地;
所述第一比较器COMP1和第二比较器COMP2的输出端分别连接所述 RS触发器的两个输入端;
所述RS触发器的同相输出端CLKQ与第二NMOS管M10的栅极、第八 PMOS管M8的栅极以及所述反相器INV1的输入端连接;
所述RS触发器的反相输出端CLKQN与第一NMOS管M9和第五PMOS 管M5的栅极连接;
所述反相器INV1的输出端用于输出所述时钟信号;
第八PMOS管M8的源极接第七PMOS管M7的漏极,第七PMOS管 M7的源极接第六PMOS管M6的漏极,第一PMOS管M1、第三PMOS管 M3和第六PMOS管M6的源极均接电源;
第五PMOS管M5的源极接第四PMOS管M4的漏极,第四PMOS管 M4的源极接第三PMOS管M3的漏极;
第七PMOS管M7的栅极接第四PMOS管M4的栅极、第二PMOS管 M2的栅极、电阻R1的一端以及所述带隙基准电路的PTAT电流输出端;
第六PMOS管M6的栅极接第三PMOS管M3的栅极、第一PMOS管M1的栅极、第二PMOS管M2的漏极以及电阻R1的另一端;
第二PMOS管M2的源极接第一PMOS管M1的漏极。
一种SOC芯片,包括:芯片本体以及如上述公开的任一种集成温度传感器。
一种电子设备,包括:电子设备本体以及如上述公开的任一种集成温度传感器。
从上述的技术方案可以看出,本实用新型利用带隙基准电路产生的PTAT 电流控制振荡器,产生振荡频率与温度成正比的时钟信号,然后通过计数器对振荡器产生的包含温度信息的时钟信号进行计数的形式来获取温度信息,避免了模数转换器的使用,使得整体电路结构简单、功耗低且版图面积小,降低了开发成本,可以广泛应用于对低功耗要求比较高的中低精度的测温场景。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种集成温度传感器结构示意图;
图2为本实用新型实施例公开的一种集成温度传感器结构示意图;
图3为本实用新型实施例公开的又一种集成温度传感器结构示意图;
图4为图3所示集成温度传感器工作的时序图;
图5为本实用新型实施例公开的一种振荡器结构示意图;
图6为本实用新型实施例公开的一种SOC芯片结构示意图;
图7为本实用新型实施例公开的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
参见图2,本实用新型实施例公开了一种集成温度传感器,包括:脉冲发生器1、振荡器2、带隙基准电路3和计数器4。各组件的功能及连接关系如下:
带隙基准电路3用于生成PTAT(Proportional to Absolute Temperature,与绝对温度成比例)电流IPTAT和基准电压VREF1P2,并输出给振荡器2;具体的,带隙基准电路3的输入端与电源电压相接,输出信号为基准电压VREF1P2(例如1.2V)和PTAT电流IPTAT,输出信号VREEF1P2不随温度变化,而输出信号 IPTAT包含有温度信息,会随着温度的变化而变化。
脉冲发生器1用于生成一振荡频率恒定的脉冲信号CLK_PULSE;振荡器 2用于依据所述PTAT电流IPTAT和基准电压VREF1P2生成一振荡频率与温度成正比的时钟信号CLK_OSC;显然,脉冲信号CLK_PULSE不随温度变化,时钟信号CLK_OSC会随着温度的变化而变化。
振荡器2的输出端和脉冲发生器1的输出端均与计数器4的输入端连接,计数器4的计数值输出端口Dout即为所述集成温度传感器的输出端口;计数器4用于在脉冲信号CLK_PULSE为第一电平(例如为低电平)时对时钟信号CLK_OSC计数,在脉冲信号CLK_PULSE为第二电平(例如为高电平)时复位计数器4并输出温度的数字码值。
由以上描述可知,本实用新型实施例利用带隙基准电路3产生的PTAT电流IPTAT控制振荡器2,产生振荡频率与温度成正比的时钟信号,然后通过计数器4对振荡器2产生的包含温度信息的时钟信号进行计数的形式来获取温度信息,避免了模数转换器的使用,使得整体电路结构简单、功耗低且版图面积小,降低了开发成本,可以广泛应用于对低功耗要求比较高的中低精度的测温场景。
可选的,振荡器2的输出端还与脉冲发生器1的输入端连接,所述集成温度传感器使能后,脉冲发生器1输出信号CLK_PULSE经过预设时间后(例如在振荡器2经过一定振荡周期后)才首次跳变为第一电平。以第一电平为低电平为例,例如图3所示,图3示出了脉冲发生器1输出信号CLK_PULSE 在振荡器2经过一定振荡周期后才首次跳变为低电平。
图4为图3所示集成温度传感器工作的时序图。集成温度传感器使能后 (假设使能信号TSLP_EN高电平有效),脉冲发生器1输出信号CLK_PULSE 延时预设个振荡周期(图4以在振荡器2经过64个振荡周期后为例)等待振荡器2信号输出稳定,然后脉冲信号CLK_PULSE跳变为低电平,开始对时钟信号CLK_OSC进行计数,当脉冲信号CLK_PULSE由低电平跳变为高电平时复位计数器4并输出计数值的数字码值。图4中的Dout、CNT分别表示计数器4的计数值输出端口和计数脉冲。
需要说明的是,以上各实施例仅是以第一电平为低电平、第二电平为高电平进行举例说明,而实际上,也可以设置第一电平为高电平、第二电平为低电平,并不局限。
可选的,基于上述公开的任一实施例,振荡器2可采用如图5所示拓扑结构,包括:第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、RS触发器、第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第五PMOS管M5、第六PMOS管M6、第七PMOS管M7、第八PMOS管M8、第一NMOS管M9,第二NMOS管M10,第一电容C1、第二电容C2、电阻R1和反相器INV1;
带隙基准电路3的输出信号VREEF1P2连接所述第一比较器COMP1和第二比较器COMP2的同相输入端;
所述第一比较器COMP1的反相输入端与第一电容C1的上极板、第一NMOS管M9的漏极和第五PMOS管M5的漏极连接;所述第二比较器COMP2 的反相输入端与第二电容C2的上极板、第八PMOS管M8的漏极和第二 NMOS管M10的漏极连接;
第一电容C1的下极板、第二电容C2的下极板、第一NMOS管M9的源极和第二NMOS管M10的源极均接地;
所述第一比较器COMP1和第二比较器COMP2的输出端分别连接所述 RS触发器的两个输入端;
所述RS触发器的同相输出端CLKQ与第二NMOS管M10的栅极、第八PMOS管M8的栅极以及反相器INV1的输入端连接;
所述RS触发器的反相输出端CLKQN与第一NMOS管M9和第五PMOS 管M5的栅极连接;
所述反相器INV1的输出端即为振荡器2的时钟信号CLK_OSC输出端口;
第八PMOS管M8的源极接第七PMOS管M7的漏极,第七PMOS管 M7的源极接第六PMOS管M6的漏极,第一PMOS管M1、第三PMOS管 M3和第六PMOS管M6的源极均接电源VDD;
第五PMOS管M5的源极接第四PMOS管M4的漏极,第四PMOS管 M4的源极接第三PMOS管M3的漏极;
第七PMOS管M7的栅极接第四PMOS管M4的栅极、第二PMOS管 M2的栅极、电阻R1的一端以及带隙基准电路3的输出信号IPTAT
第六PMOS管M6的栅极接第三PMOS管M3的栅极、第一PMOS管 M1的栅极、第二PMOS管M2的漏极以及电阻R1的另一端;
第二PMOS管M2的源极接第一PMOS管M1的漏极。
下面,对图5所示振荡器2的工作原理描述如下:
M1、M2、M3、M4、M6、M7构成两个电流镜,两个电流镜的映射比例均为1:1。
第一NMOS管M9的闭合与断开状态与第五PMOS管M5的闭合与断开状态相反,IPTAT在第五PMOS管M5闭合时给第一电容C1充电,第一电容 C1在第一NMOS管M9闭合时放电。第二NMOS管M10的闭合与断开状态与第八PMOS管M8的闭合与断开状态相反,IPTAT在第八PMOS管M8闭合时给第二电容C2充电,第二电容C2在第二NMOS管M10闭合时放电。当第一电容C1充电达到一定电压时,第一比较器COMP1的输出电平发生跳变;当第二电容C2充电达到一定电压时,第二比较器COMP2的输出电平发生跳变;两个电容充放电开关的导通与关断由RS触发器来控制,使振荡器2输出频率更加稳定。第一电容C1和第二电容C2的充电周期分别为T1=2VCC1/IPTAT和T2=2VCC2/IPTAT,VC为电容充电使比较器发生翻转所需达到的电压(所述第一比较器COMP1和第二比较器COMP2发生翻转所需达到的电压相等,记为VC;为了使时钟信号占空比一致,通常C1=C2),可以得到振荡器2输出时钟信号的振荡周期TOSC=4VCC1/IPTAT
此外,本实用新型实施例还公开了一种SOC芯片,例如图6所示,包括:芯片本体以及如上述公开的任一种集成温度传感器。
此外,本实用新型实施例还公开了一种电子设备,例如图7所示,包括:电子设备本体以及如上述公开的任一种集成温度传感器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的SOC芯片、电子设备而言,由于其与实施例公开的集成温度传感器相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见集成温度传感器部分说明即可,不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种集成温度传感器,其特征在于,包括:脉冲发生器、振荡器、带隙基准电路和计数器;
其中,所述带隙基准电路用于生成基准电压和与绝对温度成比例PTAT电流,并输出给所述振荡器;
所述脉冲发生器用于生成一振荡频率恒定的脉冲信号;
所述振荡器用于依据所述基准电压和所述PTAT电流生成一振荡频率与温度成正比的时钟信号;
所述计数器用于在所述脉冲信号为第一电平时对所述时钟信号计数,在所述脉冲信号为第二电平时复位所述计数器并输出温度的数字码值。
2.根据权利要求1所述的集成温度传感器,其特征在于,所述第一电平为低电平,所述第二电平为高电平。
3.根据权利要求1所述的集成温度传感器,其特征在于,在所述集成温度传感器使能后,所述脉冲信号在经过预设时间后才首次跳变为所述第一电平。
4.根据权利要求3所述的集成温度传感器,其特征在于,所述在经过预设时间后,是指:在所述振荡器经过预设个振荡周期后。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的集成温度传感器,其特征在于,所述振荡器包括:第一比较器(COMP1)、第二比较器(COMP2)、RS触发器、第一PMOS管(M1)、第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M3)、第四PMOS管(M4)、第五PMOS管(M5)、第六PMOS管(M6)、第七PMOS管(M7)、第八PMOS管(M8)、第一NMOS管(M9),第二NMOS管(M10),第一电容(C1)、第二电容(C2)、电阻(R1)和反相器(INV1);
其中,所述带隙基准电路的基准电压输出端连接所述第一比较器(COMP1)和第二比较器(COMP2)的同相输入端;
所述第一比较器(COMP1)的反相输入端与第一电容(C1)的上极板、第一NMOS管(M9)的漏极和第五PMOS管(M5)的漏极连接;所述第二比较器(COMP2)的反相输入端与第二电容(C2)的上极板、第八PMOS管(M8)的漏极和第二NMOS管(M10)的漏极连接;
第一电容(C1)的下极板、第二电容(C2)的下极板、第一NMOS管(M9)的源极和第二NMOS管(M10)的源极均接地;
所述第一比较器(COMP1)和第二比较器(COMP2)的输出端分别连接所述RS触发器的两个输入端;
所述RS触发器的同相输出端(CLKQ)与第二NMOS管(M10)的栅极、第八PMOS管(M8)的栅极以及所述反相器(INV1)的输入端连接;
所述RS触发器的反相输出端(CLKQN)与第一NMOS管(M9)和第五PMOS管(M5)的栅极连接;
所述反相器(INV1)的输出端用于输出所述时钟信号;
第八PMOS管(M8)的源极接第七PMOS管(M7)的漏极,第七PMOS管(M7)的源极接第六PMOS管(M6)的漏极,第一PMOS管(M1)、第三PMOS管(M3)和第六PMOS管(M6)的源极均接电源;
第五PMOS管(M5)的源极接第四PMOS管(M4)的漏极,第四PMOS管(M4)的源极接第三PMOS管(M3)的漏极;
第七PMOS管(M7)的栅极接第四PMOS管(M4)的栅极、第二PMOS管(M2)的栅极、所述电阻(R1)的一端以及所述带隙基准电路的PTAT电流输出端;
第六PMOS管(M6)的栅极接第三PMOS管(M3)的栅极、第一PMOS管(M1)的栅极、第二PMOS管(M2)的漏极以及所述电阻(R1)的另一端;
第二PMOS管(M2)的源极接第一PMOS管(M1)的漏极。
6.一种片上系统SOC芯片,其特征在于,包括:芯片本体以及如权利要求1~5中任一项所述的集成温度传感器。
7.一种电子设备,其特征在于,包括:电子设备本体以及如权利要求1~5中任一项所述的集成温度传感器。
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