TWI425197B - 時域溫度感測器 - Google Patents

Description

時域溫度感測器

本發明是有關於一種時域溫度感測器。

以下請參照圖1繪示習知的溫度感測器100的電路圖。溫度感測器100包括延遲線110、互斥或閘120、及閘130以及計數器140，其中的延遲線110所提供的時間延遲會隨著環境溫度的變化而改變。溫度感測器100在進行運作時，會提供脈衝信號的起始信號START輸入至延遲線110，延遲線110並延遲起始信號START以產生延遲後信號DST。而互斥或閘120則接收未被延遲的起始信號START以及延遲後信號DST，並比較出起始信號START以及延遲後信號DST的相位差PHD。及閘130則接收相位差PHD以及參考時脈REFCK，並利用參考時脈REFCK取樣出相位差PHD的正脈衝寬度所等於的參考時脈REFCK的脈衝數量。計數器140則計算前述的脈衝數量並藉此獲知環境溫度TEMP的大小。

由上述關於溫度感測器100的說明可以得知，溫度感測器100所偵測得的環境溫度TEMP的解析度取決於延遲線110所能產生的時間延遲的大小。在習知的技術領域中，為了使延遲線110能產生足夠的時間延遲，常需要很大的電路佈局面積，嚴重的提高了電路的成本。相對的，在電路的成本的限制下，習知的溫度感測器100所偵測出的環境溫度TEMP的解析度是不足的。

本發明提供一種時域溫度感測器，有效提高環境溫度偵測的解析度。

本發明提出一種時域溫度感測器，包括參考電流產生器、充電時間比較器以及運算器。參考電流產生器用以產生第一參考電流以及第二參考電流，其中第一及第二參考電流的其中之一不隨環境溫度變化，且其中的另一會隨環境溫度變化。充電時間比較器耦接參考電流產生器，包括第一電容以及第二電容，第一及第二電容分別對應接收第一及第二參考電流。充電時間比較器使第一電容依據第一參考電流進行充電，並使第一電容的兩端電壓差等於設定跨壓。充電時間比較器再使第二電容依據第二參考電流進行充電，並記錄第二電容充電至其兩端電壓差等於設定跨壓的時間以產生比較結果。運算器耦接充電時間比較器，接收比較結果並依據比較結果產生溫度感測結果。

在本發明之一實施例中，上述之充電時間比較器更包括充電電流產生器、電壓比較模組、第一開關、第二開關以及第三開關。充電電流產生器耦接參考電流產生器以及第一及第二電容。充電電流產生器依據第一參考電流以及第二參考電流以分別產生第一充電電流以及第二充電電流。電壓比較模組的二輸入端分別耦接至充電電流產生器耦接至第一及第二電容的耦接點。電壓比較模組比較充電電流產生器耦接至第一及第二電容的耦接點上的電壓，並藉以產生比較結果。第一開關串接在第一電容與接地電壓間，受控於第一控制信號。第二開關串接在第二電容與充電電流產生器的耦接路徑間，受控於第二控制信號。第三開關串接在電壓比較模組以及第二電容間。其中，第一及第二開關不同時導通。

在本發明之一實施例中，上述之比較模組包括比較器、閂鎖器以及除頻器。比較器的二輸入端分別接收充電電流產生器耦接至第一及第二電容的耦接點上的電壓。閂鎖器耦接至比較器的輸出端，當比較器的輸出端指示充電電流產生器耦接至第一及第二電容的耦接點上的電壓相等時，閂鎖器產生脈衝信號。除頻器耦接閂鎖器，接收脈衝信號並針對脈衝信號進行除頻，以產生比較結果。

在本發明之一實施例中，上述之閂鎖器包括第一反及閘、第二反及閘以及反閘。第一反及閘的輸入端耦接至比較器的輸出端。反閘的輸入端耦接至第一反及閘耦接至比較器的輸出端的輸入端。第二反及閘，其一輸入端耦接至該第一反及閘的輸出端，其另一輸入端耦接至該反閘的輸出端，其輸出端與第一反及閘未耦接至反閘的輸入端相耦接。

在本發明之一實施例中，上述之第一反及閘的輸出端產生脈衝信號。

在本發明之一實施例中，上述之除頻器為一T型正反器，T型正反器具有時脈端及輸出端，其時脈端耦接至閂鎖器的輸出端，其輸出端產生比較結果。

在本發明之一實施例中，上述之充電時間比較器更包括電荷重置開關。電荷重置開關耦接在第一電容耦接充電電流產生器的端點以及接地電壓間，受控於重置控制信號。

在本發明之一實施例中，當上述之比較器的輸出端指示充電電流產生器耦接至第一及第二電容的耦接點上的電壓相等時，閂鎖器更產生重置控制信號使電荷重置開關導通。

在本發明之一實施例中，上述之運算器包括邏輯電路以及計數器。邏輯電路耦接充電時間比較器的輸出端，接收並依據比較結果以及時脈信號進行邏輯運算。計數器耦接邏輯電路的輸出端，用以計數邏輯電路的輸出的脈波數量。

在本發明之一實施例中，上述之邏輯電路為及閘或反及閘。

基於上述，本發明利用會隨環境溫度變化以及不隨環境溫度變化的兩個不同的參考電流來分別對兩個不同的電容進行充電。利用其中的一個電容的兩端電壓差作為設定跨壓，再計算另一個電容的跨壓等於設定跨壓時所需的充電時間，並利用計算上述充電時間的長短，來藉以獲得溫度感測結果。透過提供充電的電容值以及參考電流的電容值大小的設定，可以有效提升溫度感測結果的解析度。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖2，圖2繪示本發明一實施例的時域溫度感測器200的示意圖。時域溫度感測器200包括參考電流產生器210、充電時間比較器220以及運算器230。參考電流產生器210用以產生兩組不相同的參考電流CC以及PTAT，其中，參考電流CC不隨環境溫度變化，且參考電流PTAT則是會隨環境溫度變化。其中，參考電流產生器210可以利用所謂的能帶隙(band gap)電路來建構，以利用其所提供的與環境溫度無關的電壓以及一般的電壓來分別產生參考電流PTAT以及CC。

充電時間比較器220耦接參考電流產生器210。充電時間比較器220內建兩個電容(未繪示)，其中這兩個電容分別對應接收參考電流CC以及PTAT。充電時間比較器220使其中的一個電容依據參考電流CC(或PTAT)進行充電，並使依據參考電流CC(或PTAT)進行充電的電容的兩端電壓差等於設定跨壓。接著，充電時間比較器220再使另一個電容依據參考電流PTAT(或CC)進行充電，並記錄依據參考電流PTAT(或CC)進行充電的此電容充電至其兩端電壓差等於設定跨壓的時間，來產生比較結果CMPR。

附帶一提的，充電時間比較器220還包括接收控制信號CTRL。充電時間比較器220接收控制信號CTRL來做為啟動或關閉其中的電容進行充電的依據。並且，控制信號CTRL是不隨環境溫度而產生飄移的信號。而這個與環境溫度無關的控制信號CTRL同樣可以由能帶隙電路所建構的參考電流產生器210所提供的與環境溫度無關的電壓CV，並透過計時器270來產生。

運算器230耦接至充電時間比較器220。運算器230接收由充電時間比較器220所產生的比較結果CMPR並依據比較結果CMPR來產生溫度感測結果TEMP。

以下請參照圖3，圖3繪示本發明的另一實施例的時域溫度感測器300的示意圖。時域溫度感測器300包括參考電流產生器310、充電時間比較器320、運算器330以及計時器370。參考電流產生器310產生與環境溫度無關的參考電流CC以及與環境溫度有關的參考電流PTAT。充電時間比較器320則包括充電電流產生器321、電壓比較模組322、電容C1~C2、開關SW1~SW3以及電荷重置開關SW4。充電電流產生器321耦接至參考電流產生器310，以接收參考電流CC以及PTAT，並依據參考電流CC以及PTAT來分別產生充電電流IC以及IP。其中，充電電流IC被提供流向電容C2而充電電流IP則被提供流向電容C1。

開關SW1串接在電容C2與接地電壓GND間，當開關SW1導通時，電容C2可以接收充電電流IC以進行充電。相對的，當開關SW1斷開時，電容C2則停止接收充電電流IC。另外，開關SW2串接在充電電流產生器321與電容C1間，當開關SW2導通時，電容C1可以接收充電電流IP以進行充電。相對的，當開關SW2斷開時，電容C1則停止接收充電電流IP。另外，開關SW3則耦接在電容C1以及電壓比較模組322間，作為提供電容C1上的電壓至電壓比較模組322的管道。電荷重置開關SW4則串接在電容C2未耦接接地電壓GND的端點以及接地電壓GND間，當電荷重置開關SW4依據重置控制信號而導通時可以使電容C2進行放電。

電壓比較模組322的兩輸入端耦接至充電電流產生器321耦接至電容C1以及C2的耦接點，並透過比較電容C1以及C2上的電壓的差值，藉以產生比較結果CMPR。

在時域溫度感測器300的整體作動上，首先，開關SW2被導通(同時，開關SW1、SW3以及電荷重置開關SW4都是斷開的)，並使電容C1可以接收參考電流IP以進行充電。在當電容C1的兩個端點的跨壓等於預先設定的設定跨壓時，開關SW2被斷開，並停止電容C1的充電動作。接著，開關SW3被導通，並使電容C1上的電壓被傳送至電壓比較模組322的一個輸入端。然後，導通開關SW1，使電容C2依據參考電流IC進行充電。在此同時，電壓比較模組322即時偵測電容C2與電容C1上的電壓值，一旦電容C2上的電壓上升到與電容C1上的電壓相同時，電壓比較模組322對應變更其所產生的比較結果CMPR。

另外，在電壓比較模組322比對到電容C2上的電壓與電容C1上的電壓相同時，會對應產生重置控制信號來使電荷重置開關SW4導通。在電荷重置開關SW4導通時，電容C2中的電荷將被釋放，並使電容C2上的跨壓回到零電壓準位。

在電容C2上的跨壓回到零電壓準位後，電荷重置開關SW4對應被斷開，而電容C2將再次的接收參考電流IC以進行充電，電壓比較模組322則再次執行比較電容C1以及C2上的電壓，並變更其所產生的比較結果CMPR。

電壓比較模組322在每次偵測到電容C1以及C2上的電壓是相同的情況下，會使比較結果CMPR產生轉態，而比較結果CMPR的正或負脈寬的寬度，就等於電容C2充電至等於設定跨壓所需的時間。

以下請參照圖4，圖4繪示本發明實施例的電壓比較模組322的實施方式示意圖。電壓比較模組322包括比較器CMP1、閂鎖器3221以及除頻器3222。比較器CMP1接收如圖3繪示的電容C1上的電壓V1以及電容C2上的電壓V2。比較器CMP1的輸出端耦接至閂鎖器3221。閂鎖器3221則是由反及閘NAND1~NAND2以及反閘INV1所構成的SR閂鎖器。其中，反及閘NAND1的一輸入端耦接至比較器CMP1的輸出端以及反閘INV1的輸入端，反及閘NAND1的另一輸入端耦接至反及閘NAND2的輸出端，反及閘NAND2的一輸入端耦接至反閘INV1的輸出端，反及閘NAND2的另一輸入端則耦接至反及閘NAND1的輸出端。當比較器CMP1比較到電壓V1與電壓V2相同時，比較器CMP1的輸出端會產生一個脈衝信號，閂鎖器3221則會閂鎖並延長這個脈衝信號的脈衝寬度。另外，在反及閘NAND1的輸出端進行閂鎖並延長脈衝信號的脈衝寬度的同時，反及閘NAND2的輸出端則會產生重置控制信號以導通如圖3所繪示的電荷重置開關SW4。

除頻器3222則耦接至閂鎖器3221的輸出端。除頻器3222針對閂鎖器3221所產生的脈衝信號進行除頻的動作以產生比較結果CMPR，其中，比較結果CMPR的轉態點恰好對應至各脈衝信號由低電壓轉態致高電壓的轉態點。

在本實施例中，除頻器3222由T型的正反器所構成，其中，除頻器3222具有時脈端CK以及輸出端D，其時脈端CK耦接至閂鎖器3221的輸出端，其輸出端D產生比較結果CMPR。

以下請參照圖5，其中圖5繪示本發明實施例的除頻器3222的動作波形圖。其中，在圖5的繪示中，除頻器3222針對脈衝信號PULSE進行除頻的動作，並解以產生比較結果CMPR。由圖5的繪示可以清楚發現，比較結果CMPR的正或負脈衝的寬度，恰等於電容C2進行充電至跨的充電時間。

接著請參照圖6，圖6繪示本發明實施例的運算器330的一實施方式示意圖。在圖6的繪示中，運算器330包括邏輯電路331以及計數器332。邏輯電路331耦接充電時間比較器的輸出端以接收比較結果CMPR。邏輯電路331另接收時脈信號CKREF。邏輯電路331依據比較結果CMPR以及時脈信號CKREF進行邏輯運算。簡單來說，以邏輯電路331是及閘為例子，當比較結果CMPR等於邏輯高準位時，時脈信號CKREF的脈衝可以直接由邏輯電路331的輸出端被輸出。相對的，當比較結果CMPR等於邏輯低準位時，時脈信號CKREF的脈衝被遮蔽，而邏輯電路331的輸出端輸出邏輯低準位信號。計數器332則耦接邏輯電路331的輸出端，用以計數邏輯電路331的輸出的脈波數量。在此，邏輯電路331的輸出的脈波數量與比較結果CMPR的脈波寬度是相對應的，CMPR的脈波寬度越寬，邏輯電路331的輸出的脈波數量越高。

由上述的說明可以得知，由計數器332的計數結果就可以換算出比較結果CMPR的脈波寬度。例如，當時脈信號CKREF的週期為1微秒時，且當計數器332的計數結果為100時，比較結果CMPR的脈波寬度就等於1微秒×100，也就等於100微秒。

當然，邏輯電路331也並非一定要由及閘來實施，其中，只要可以在比較結果CMPR為正及負脈寬的其中之一產生直接傳送時脈信號CKREF的脈波，而在比較結果CMPR為正及負脈寬的另一遮蔽時脈信號CKREF的脈波的邏輯電路都可以應用以實施邏輯電路331。相關上述的邏輯電路為本領域具通常知識者所熟知的技術，以下恕不多贅述。

綜上所述，本發明利用不隨環境溫度改變的參考電流以及會隨環境溫度改變的參考電流來進行對不同電容的充電。並透過其中的充電至預設的預設跨壓的充電時間，來獲知環境溫度的變化。如此一來，所產生的溫度感測結果的解析度可以依據需要，由設計者變更電容值、參考電流的電流值的大小或預設跨壓的大小，來進行有效的設定。並且，這些設定並不需要佔去很大的電路佈局面積，有效節省電路成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．溫度感測器

110．．．延遲線

120．．．互斥或閘

130．．．及閘

140、332．．．計數器

200、300．．．時域溫度感測器

210、310．．．參考電流產生器

220、320．．．充電時間比較器

230、330．．．運算器

270、370．．．計時器

321．．．充電電流產生器

322．．．電壓比較模組

CMP1．．．比較器

3221．．．閂鎖器

3222．．．除頻器

331．．．邏輯電路

CKREF．．．時脈信號

INV1．．．反閘

NAND1~NAND2．．．反及閘

SW4．．．電荷重置開關

IC、IP．．．充電電流

C1~C2．．．電容

W1~SW3．．．開關

GND．．．接地電壓

V1、V2．．．電壓

PULSE．．．脈衝信號

START．．．起始信號

DST．．．延遲後信號

PHD．．．相位差

REFCK．．．參考時脈

TEMP．．．環境溫度

CC、PTAT．．．參考電流

CMPR．．．比較結果

CTRL．．．控制信號

圖1繪示習知的溫度感測器100的電路圖。

圖2繪示本發明一實施例的時域溫度感測器200的示意圖。

圖3繪示本發明的另一實施例的時域溫度感測器300的示意圖。

圖4繪示本發明實施例的電壓比較模組322的實施方式示意圖。

圖5繪示本發明實施例的除頻器3222的動作波形圖。

圖6繪示本發明實施例的運算器330的一實施方式示意圖。

200．．．時域溫度感測器

210．．．參考電流產生器

220．．．充電時間比較器

230．．．運算器

270．．．計時器

CC、PTAT．．．參考電流

CMPR．．．比較結果

CTRL．．．控制信號

Claims (10)

1. 一種時域溫度感測器，包括：一參考電流產生器，用以產生一第一參考電流以及一第二參考電流，其中該第一及該第二參考電流的其中之一不隨環境溫度變化，且其中的另一會隨環境溫度變化；一充電時間比較器，耦接該參考電流產生器，包括一第一電容以及一第二電容，該第一及該第二電容分別對應接收該第一及該第二參考電流，該充電時間比較器使該第一電容依據該第一參考電流進行充電，並使該第一電容的兩端電壓差等於一設定跨壓，該充電時間比較器再使該第二電容依據該第二參考電流進行充電，並記錄該第二電容充電至其兩端電壓差等於該設定跨壓的時間以產生一比較結果；以及一運算器，耦接該充電時間比較器，接收該比較結果並依據該比較結果產生一溫度感測結果。
2. 如申請專利範圍第1項所述之時域溫度感測器，其中該充電時間比較器更包括：一充電電流產生器，耦接該參考電流產生器以及該第一及該第二電容，依據該第一參考電流以及該第二參考電流以分別產生一第一充電電流以及一第二充電電流；一電壓比較模組，其二輸入端分別耦接至該充電電流產生器耦接至該第一及該第二電容的耦接點，比較該充電電流產生器耦接至該第一及該第二電容的耦接點上的電壓，並藉以產生該比較結果；一第一開關，串接在該第一電容與一接地電壓間，受控於一第一控制信號；一第二開關，串接在該第二電容與該充電電流產生器的耦接路徑間，受控於一第二控制信號；以及一第三開關，串接在該電壓比較模組以及該第二電容間，其中，該第一及該第二開關不同時導通。
3. 如申請專利範圍第2項所述之時域溫度感測器，其中該比較模組包括：一比較器，其二輸入端分別接收該充電電流產生器耦接至該第一及該第二電容的耦接點上的電壓；一閂鎖器，耦接至該比較器的輸出端，當該比較器的輸出端指示該充電電流產生器耦接至該第一及該第二電容的耦接點上的電壓相等時，該閂鎖器產生一脈衝信號；以及一除頻器，耦接該閂鎖器，接收該脈衝信號並針對該脈衝信號進行除頻，以產生該比較結果。
4. 如申請專利範圍第3項所述之時域溫度感測器，其中該閂鎖器包括：一第一反及閘，其一輸入端耦接至該比較器的輸出端；一反閘，其輸入端耦接至該第一反及閘耦接至該比較器的輸出端的輸入端；以及一第二反及閘，其一輸入端耦接至該第一反及閘的輸出端，其另一輸入端耦接至該反閘的輸出端，其輸出端與該第一反及閘未耦接至該反閘的輸入端相耦接。
5. 如申請專利範圍第4項所述之時域溫度感測器，其中該第一反及閘的輸出端產生該脈衝信號。
6. 如申請專利範圍第3項所述之時域溫度感測器，其中該除頻器為一T型正反器，該T型正反器具有時脈端及輸出端，其時脈端耦接至該閂鎖器的輸出端，其輸出端產生該比較結果。
7. 如申請專利範圍第2項所述之時域溫度感測器，其中該充電時間比較器更包括：一電荷重置開關，耦接在該第一電容耦接該充電電流產生器的端點以及該接地電壓間，受控於一重置控制信號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之時域溫度感測器，其中當該比較器的輸出端指示該充電電流產生器耦接至該第一及該第二電容的耦接點上的電壓相等時，該閂鎖器更產生該重置控制信號使該電荷重置開關導通。
9. 如申請專利範圍第1項所述之時域溫度感測器，其中該運算器包括：一邏輯電路，耦接該充電時間比較器的輸出端，接收並依據該比較結果以及一時脈信號進行邏輯運算；以及一計數器，耦接該邏輯電路的輸出端，用以計數該邏輯電路的輸出的脈波數量。
10. 如申請專利範圍第9項所述之時域溫度感測器，其中該邏輯電路為及閘。