TWI730596B - 溫度感測電路 - Google Patents

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Abstract

一種溫度感測電路，包含：電流源電路、電阻、帶隙電壓產生電路、電壓等化電路及溫度判斷電路。電流源電路具有第一及第二電流輸出端。電阻之第一端電性耦接於第一電流輸出端。帶隙電壓產生電路包含一對雙極性接面型電晶體，第一者電性耦接於電阻之第二端，第二者電性耦接於第二電流輸出端。電壓等化電路使第一電流輸出端以及第二電流輸出端等電壓。溫度判斷電路包含：取樣電容及計算電路。取樣電容取樣電阻之第一端的第一電壓。計算電路接收取樣的第一電壓及電阻之第二端之第二電壓，並計算電壓差產生溫度值。

Description

溫度感測電路
本發明係有關於一種溫度感測技術，且特別是有關於一種溫度感測電路。
在低電壓的系統單晶片電路中，可採用根據時間變化或訊號延遲隨溫度而具有差異的特性來感測晶片內部的溫度。然而，常見的溫度感測電路不論是利用延遲路徑(delay line)產生具有時間差的訊號進行溫度的感測，或是利用電流鏡間的電流差異來進行溫度的感測，都容易受到電路中的金氧半電晶體的製程偏移或是通道長度改變的效應，而造成溫度感測的不精確。
因此，如何設計一個新的溫度感測電路，以解決上述的缺失，乃為此一業界亟待解決的問題。
發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本發明實施例的重要/ 關鍵元件或界定本發明的範圍。
本發明內容之一目的是在提供一種溫度感測電路，藉以改善先前技術的問題。
為達上述目的，本發明內容之一技術態樣係關於一種溫度感測電路，包含：電流源電路、電阻、帶隙電壓產生電路、電壓等化電路以及溫度判斷電路。電流源電路具有第一電流輸出端以及第二電流輸出端。電阻包含電性耦接於第一電流輸出端之第一端以及第二端。帶隙電壓產生電路包含具有相電性耦接之一對基極之一對雙極性接面型電晶體，該對雙極性接面型電晶體之第一者電性耦接於電阻之第二端，第二者電性耦接於第二電流輸出端。電壓等化電路配置以電性耦接第一電流輸出端以及第二電流輸出端，並控制電流源電路，使第一電流輸出端以及第二電流輸出端等電壓。溫度判斷電路包含：取樣電容以及計算電路。取樣電容配置以在第一操作時間中取樣電阻之第一端的具有第一負溫度係數之第一電壓後與第一端相電性隔離。計算電路配置以在第一操作時間後之第二操作時間中接收取樣電容取樣的第一電壓以及自電阻之第二端接收具有大於第一負溫度係數之第二負溫度係數之第二電壓，並藉由計算第一電壓以及第二電壓之電壓差據以產生溫度值。
本發明的溫度感測電路避免金氧半電晶體的製程或通道長度改變的影響，進而藉由高精確度的時脈訊號計算時間長度，並據以取得溫度值，大幅提升溫度量測的精確度。
100‧‧‧溫度感測電路
110‧‧‧電流源電路
120‧‧‧帶隙電壓產生電路
130‧‧‧電壓等化電路
140‧‧‧溫度判斷電路
150‧‧‧計算電路
160‧‧‧比較器
170‧‧‧計數器
175‧‧‧及閘
180‧‧‧判斷電路
B1、B2‧‧‧基極
C1、C2‧‧‧集極
CLK‧‧‧時脈訊號
CR‧‧‧比較結果
CS‧‧‧取樣電容
CS1‧‧‧第一控制訊號
CS2‧‧‧第二控制訊號
D1、D2‧‧‧汲極
E1、E2‧‧‧射極
G1、G2‧‧‧閘極
GND‧‧‧接地端
I1、I2‧‧‧電流
P1、P2‧‧‧P型金氧半電晶體
Q1、Q2‧‧‧雙極性接面型電晶體
RD‧‧‧放電電阻
RG‧‧‧電阻
S1、S2‧‧‧源極
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
T1‧‧‧第一端
T2‧‧‧第二端
TL‧‧‧時間長度
TO1‧‧‧第一操作時間
TO2‧‧‧第二操作時間
TP‧‧‧溫度值
TS‧‧‧時間點
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
VDD‧‧‧電壓源
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖為本發明一實施例中，一種溫度感測電路的電路圖；
第2圖為本發明一實施例中，第一電壓以及第二電壓隨溫度變化的示意圖；以及
第3圖為本發明一實施例中，取樣電容取樣後的第一電壓、第二電壓、比較結果、時脈訊號以及時間長度的波形圖。
請參照第1圖。第1圖為本發明一實施例中，一種溫度感測電路100的電路圖。溫度感測電路100包含：電流源電路110、電阻RG、帶隙電壓產生電路120、電壓等化電路130以及溫度判斷電路140。
於一實施例中，電流源電路110為一對P型金氧半電晶體P1、P2。其中，P型金氧半電晶體P1、P2的一對源極S1、S2電性耦接於電壓源VDD。P型金氧半電晶體P1的汲極D1做為第一電流輸出端，以輸出電流I1。P型金氧半電晶體P2的汲極D2則做為第二電流輸出端，以輸出電流I2。
電阻RG包含電性耦接於第一電流輸出端之第一端T1以及第二端T2。
帶隙電壓產生電路120包含一對雙極性接面型電晶體Q1、Q2。於一實施例中，雙極性接面型電晶體Q1、Q2在運作導通時，具有不同的電流密度。於一實施例中，雙極性 接面型電晶體Q1、Q2的尺寸不相同，而造成運作導通時不同的電流密度。
舉例而言，雙極性接面型電晶體Q1、Q2的通道尺寸比例可為N，亦即雙極性接面型電晶體Q1的通道尺寸為雙極性接面型電晶體Q2的通道尺寸的N倍。
就連接關係而言，雙極性接面型電晶體Q1、Q2的一對基極B1、B2相電性耦接，且此對基極B1、B2更電性耦接於接地端GND。雙極性接面型電晶體Q1、Q2的一對集極C1、C2電性耦接於接地端GND。
並且，雙極性接面型電晶體Q1的射極E1電性耦接於電阻RG的第二端T2。因此，雙極性接面型電晶體Q1的射極E1與第一電流輸出端間，亦即與P型金氧半電晶體P1的汲極D1間，是透過電阻RG相電性耦接。而雙極性接面型電晶體Q2的射極E2電性耦接於第二電流輸出端，亦即P型金氧半電晶體P2的汲極D2。
電壓等化電路130為配置以電性耦接第一電流輸出端以及第二電流輸出端(P型金氧半電晶體P1、P2的汲極D1、D2)，並控制電流源電路110，使第一電流輸出端以及第二電流輸出端等電壓。
更詳細地說，於一實施例中，電壓等化電路130為運算放大器，並包含在第1圖中分別以‘+’、‘-’以及‘o’記號標示的正輸入端、負輸入端以及輸出端。
其中，正輸入端電性耦接於第一電流輸出端(P型金氧半電晶體P1的汲極D1)以及透過電阻RG電性耦接於雙 極性接面型電晶體Q1之射極E1。負輸入端電性耦接於第二電流輸出端(P型金氧半電晶體P2的汲極D2)以及雙極性接面型電晶體Q2之射極E2。
輸出端電性耦接於P型金氧半電晶體P1、P2的一對閘極G1、G2，並配置以控制P型金氧半電晶體P1、P2，達到使第一電流輸出端以及第二電流輸出端的電壓相等之功效。
上述的電流源電路110、電阻RG、帶隙電壓產生電路120以及電壓等化電路130可形成一個帶隙電壓產生電路，使電阻RG的第一端T1的第一電壓V1以及第二端T2的第二電壓V2分別具有負溫度係數。更詳細地說，當溫度感測電路100所位於的環境溫度愈高，第一電壓V1以及第二電壓V2的電壓值將愈低。
請同時參照第2圖。第2圖為本發明一實施例中，第一電壓V1以及第二電壓V2隨溫度變化的示意圖。
如第2圖所示，於一實施例中，第二電壓V2具有的第二負溫度係數大於第一電壓V1具有的第一負溫度係數。因此，當溫度感測電路100所位於的環境溫度愈高時，第二電壓V2下降的幅度將大於第一電壓V1下降的幅度。更進一步地說，當溫度感測電路100所位於的環境溫度愈高時，第一電壓V1與第二電壓V2間的電壓差愈大，當環境溫度愈低，第一電壓V1與第二電壓V2間的電壓差愈小。
於一實施例中，由於雙極性接面型電晶體Q1、Q2的基極B1、B2電性耦接於接地端GND，且第一電壓V1相當於雙極性接面型電晶體Q2的射極E2的電壓，因此第一電壓 V1相當於雙極性接面型電晶體Q2的射基極電壓VBE2(未標示於圖中)，第二電壓V2相當於雙極性接面型電晶體Q1的射基極電壓VBE1(未標示於圖中)。第一電壓V1與第二電壓V2間的電壓差△VBE可由下式表示：
△VBE=(kT/q)×ln(N) (式1)
其中，k為波茲曼常數，q為庫倫常數，T為絕對溫度，N為雙極性接面型電晶體Q1、Q2間之尺寸比例或電流密度比例。
溫度判斷電路140配置以根據第一電壓V1與第二電壓V2判斷環境溫度。於一實施例中，溫度判斷電路140包含：取樣電容CS、計算電路150、第一開關SW1以及第二開關SW2。
取樣電容CS配置以在第一開關SW1導通時，對電阻RG的第一端T1的第一電壓V1進行取樣。其中，第一開關SW1是根據第一控制訊號CS1所控制。
計算電路150則在第二開關SW2導通時，根據取樣電容CS取樣後的第一電壓V1，以及電阻RG的第二端T2的第二電壓V2進行計算，以判斷溫度。其中，第二開關SW2是根據第二控制訊號CS2所控制。
於一實施例中，計算電路150包含放電電阻RD、比較器160、計數器170以及判斷電路180。
其中，放電電阻RD在第二開關SW2導通時對取樣電容CS進行放電。比較器160電性耦接於放電電阻RD以及電阻RG之第二端T2，以對取樣電容CS所取樣且經由放電電阻 RD放電的第一電壓V1之值以及第二電壓V2進行比較，輸出比較結果CR。
計數器170進一步根據時脈訊號CLK對比較結果CR進行計數，以判斷由取樣電容CS取樣的第一電壓V1之值放電至第二電壓V2之值所需之時間長度TL。判斷電路180再依據時間長度TL判斷溫度值TP。
請同時參照第3圖。第3圖為本發明一實施例中，取樣電容CS取樣後的第一電壓V1、第二電壓V2、比較結果CR、時脈訊號CLK以及時間長度TL的波形圖。以下將搭配第1圖與第3圖，對於溫度判斷電路140的運作進行更詳細的說明。
在第一操作時間TO1中，第一開關SW1導通，且第二開關SW2斷開。取樣電容CS與電阻RG的第一端T1將透過第一開關SW1電性耦接。電阻RG的第一端T1將對取樣電容CS充電，以達到使取樣電容CS對第一電壓V1進行取樣的目的。
在第一操作時間TO1後的第二操作時間TO2中，第一開關SW1斷開，且第二開關SW2導通。取樣電容CS與電阻RG的第一端T1將電性隔離，且取樣電容CS與放電電阻RD將透過第二開關SW2電性耦接。放電電阻RD透過第二開關SW2對取樣電容CS進行放電。
同時，電性耦接於放電電阻RD以及電阻RG之第二端T2的比較器170，配置以在第二操作時間TO2中進行電壓比較，以輸出比較結果CR。
如第3圖所示，由於放電電阻RD透過第二開關SW2持續對取樣電容CS所取樣到的第一電壓V1進行放電，第一電壓V1的值將愈來愈小。在時間點TS前，第一電壓V1的值尚大於第二電壓V2，以使比較器170輸出的比較結果CR為高態。在時間點TS時，第一電壓V1的值達到與第二電壓V2相同的準位，以使比較結果CR轉態。在時間點TS後，第一電壓V1的值小於第二電壓V2，以使比較結果CR為低態。
計數器170配置以在第二操作時間TO2中根據時脈訊號CLK對比較結果CR進行計數，以判斷由取樣電容CS取樣的第一電壓V1之值放電至第二電壓V2之值所需之時間長度TL。於一實施例中，計算電路150更包含及閘175，且及閘175同時接收第二控制訊號CS2以及時脈訊號CLK，以根據第二控制訊號CS2的控制，僅在第二操作時間TO2將時脈訊號CLK饋入至計數器170進行計數。
於一實施例中，時間長度TL是以時脈訊號CLK在第二操作時間TO2中所取樣到的高態次數表示，例如但不限於第3圖中的4次。實際上，時間長度TL可由所取樣到的高態次數乘以時脈訊號CLK的每單位週期時間長度所得。因此，當時脈訊號CLK的頻率愈高，將可使時間長度TL的量測愈精確。
判斷電路180配置以根據時間長度TL判斷電壓差，進而產生溫度值TP。當時間長度TL愈長，表示取樣電容CS取樣到的第一電壓V1與第二電壓V2間的電壓差愈大，同時也表示溫度愈高。相對的，時間長度TL愈短，表示取樣電容 CS取樣到的第一電壓V1與第二電壓V2間的電壓差愈小，同時也表示溫度愈小。因此，判斷電路180可例如，但不限於根據時間長度TL先計算出電壓差後，藉由例如，但不限於查詢溫度與電壓差間的對照表或是關係曲線計算出溫度值TP。
在部份技術中，所採用的電路包含以金氧半電晶體形成的延遲路徑(delay line)或是電流鏡，而容易受金氧半電晶體的製程精確度或是通道長度改變(channel length modulation)的影響，使溫度量測的精確度下降。
本發明的溫度感測電路100不需要使用延遲路徑或是電流鏡，且取樣電容CS在取樣到第一電壓V1後即與電阻RG以及電流源電路110電性隔離，可避免金氧半電晶體的製程或通道長度改變的影響，進而藉由高精確度的時脈訊號CLK計算時間長度TL，並據以取得溫度值TP。因此，本發明的溫度感測電路100可大幅提升溫度量測的精確度。
需注意的是，第1圖所繪示的溫度感測電路100的電路結構僅為一範例。在其他實施例中，溫度感測電路100可在不影響上述的電路運作下，增加其他的電路元件。本發明並不為其所限。
雖然上文實施方式中揭露了本發明的具體實施例，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不悖離本發明之原理與精神的情形下，當可對其進行各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當以附隨申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧溫度感測電路
110‧‧‧電流源電路
120‧‧‧帶隙電壓產生電路
130‧‧‧電壓等化電路
140‧‧‧溫度判斷電路
150‧‧‧計算電路
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TP‧‧‧溫度值
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
VDD‧‧‧電壓源

Claims (10)

  1. 一種溫度感測電路，包含：一電流源電路，具有一第一電流輸出端以及一第二電流輸出端；一電阻，包含電性耦接於該第一電流輸出端之一第一端以及一第二端；一帶隙電壓產生電路，包含一對雙極性接面型電晶體，該對雙極性接面型電晶體之一第一者電性耦接於該電阻之該第二端，該對雙極性接面型電晶體之一第二者電性耦接於該第二電流輸出端；一電壓等化電路，配置以電性耦接該第一電流輸出端以及該第二電流輸出端，並控制該電流源電路，使該第一電流輸出端以及該第二電流輸出端等電壓；以及一溫度判斷電路，包含：一取樣電容，配置以在一第一操作時間中取樣該電阻之該第一端的具有一第一負溫度係數之一第一電壓後與該電阻之該第一端相電性隔離；以及一計算電路，配置以在該第一操作時間後之一第二操作時間中接收該取樣電容取樣的該第一電壓以及自該電阻之該第二端接收具有大於該第一負溫度係數之一第二負溫度係數之一第二電壓，並藉由計算該第一電壓以及該第二電壓之一電壓差據以產生一溫度值。
  2. 如請求項1所述之溫度感測電路，其中該溫 度判斷電路更包含：一第一開關，配置以僅在該第一操作時間中導通以電性耦接該電阻之該第一端以及該取樣電容，以對該取樣電容進行充電；以及一第二開關，配置以僅在該第二操作時間中導通以電性耦接該取樣電容以及該計算電路。
  3. 如請求項2所述之溫度感測電路，其中該計算電路包含：一放電電阻，配置以在該第二操作時間中透過該第二開關對該取樣電容進行放電；一比較器，配置以電性耦接於該放電電阻以及該電阻之該第二端並在該第二操作時間中進行電壓比較，以輸出一比較結果；一計數器，配置以在該第二操作時間中根據一時脈訊號對該比較結果進行計數，以判斷該取樣電容取樣的該第一電壓之值放電至該第二電壓之值所需之一時間長度；以及一判斷電路，配置以根據該時間長度判斷該電壓差，進而產生該溫度值。
  4. 如請求項1所述之溫度感測電路，其中當一環境溫度愈高，該電壓差愈大，當該環境溫度愈低，該電壓差愈小。
  5. 如請求項1所述之溫度感測電路，其中該電壓等化電路為一運算放大器，包含：一正輸入端，電性耦接於該第一電流輸出端以及透過該電阻電性耦接於該對雙極性接面型電晶體之該第一者之一第一集極；一負輸入端，電性耦接於該第二電流輸出端以及該對雙極性接面型電晶體之該第二者之一第二集極；以及一輸出端，配置以控制該電流源電路。
  6. 如請求項1所述之溫度感測電路，其中該對雙極性接面型電晶體之該第一者之電流密度大於該對雙極性接面型電晶體之該第二者之電流密度。
  7. 如請求項1所述之溫度感測電路，其中該對雙極性接面型電晶體之該第一者之尺寸大於該對雙極性接面型電晶體之該第二者之尺寸。
  8. 如請求項1所述之溫度感測電路，其中該第一電壓與該第二電壓之該電壓差為(kT/q)×ln(N)，k為波茲曼常數，q為庫倫常數，T為絕對溫度，N為該對雙極性接面型電晶體間之尺寸比例或電流密度比例。
  9. 如請求項1所述之溫度感測電路，其中該對雙極性接面型電晶體之一對基極電性耦接於一接地電位。
  10. 如請求項1所述之溫度感測電路，其中該電流源電路為一對P型金氧半電晶體，該第一電流輸出端以及該第二電流輸出端為該對P型金氧半電晶體之一對汲極，該電壓等化電路之一輸出端控制該對P型金氧半電晶體之一對閘極。
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