TWI835477B

TWI835477B - 溫度感測裝置以及溫度感測方法

Info

Publication number: TWI835477B
Application number: TW111149090A
Authority: TW
Inventors: 汪鼎豪; 吳俊宛; 林倍如
Original assignee: 創意電子股份有限公司; 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-03-11

Abstract

本發明提供一種溫度感測裝置以及溫度感測方法。溫度感測裝置包括感測器以及轉換電路。感測器基於不同條件產生對應於環境溫度的第一感測訊號以及第二感測訊號。轉換電路對第一感測訊號以及第二感測訊號進行減法運算以獲得結果差值，依據結果差值以及第一感測訊號以運算出補償值，將結果差值以及補償值進行乘法運算以獲得乘法值，將第一感測訊號減去乘法值以產生第一值，將第一感測訊號加上乘法值以產生第二值，並將第一值除以第二值以產生輸出值。第二值是常數。

Description

溫度感測裝置以及溫度感測方法

本發明是有關於一種感測裝置以及感測方法，且特別是有關於一種溫度感測裝置以及溫度感測方法。

一般來說，溫度感測裝置會藉由感測器來感測溫度，藉以產生對應於溫度的至少一個感測訊號。並藉由轉換電路將此感測訊號轉換為一輸出數位碼值。轉換電路會利用兩個感測訊號的除法運算或減法運算以降低電源的電壓變動所產生的誤差。然而，上述的兩個感測訊號都是變數。這會使溫度感測裝置的感測線性度明顯下降。

本發明提供一種具有高感測線性度的溫度感測裝置以及溫度感測方法。

本發明的溫度感測裝置包括感測器以及轉換電路。感測器基於第一條件產生對應於環境溫度的第一感測訊號，並基於不同於第一條件的第二條件產生對應於環境溫度的第二感測訊號。第一感測訊號不同於第二感測訊號。轉換電路耦接於感測器。轉換電路對第一感測訊號以及第二感測訊號進行減法運算以獲得結果差值，依據結果差值以及第一感測訊號以運算出補償值，將結果差值以及補償值進行乘法運算以獲得乘法值，將第一感測訊號減去乘法值以產生第一值，將第一感測訊號加上乘法值以產生第二值，將第一值除以第二值以產生輸出值，並將輸出值轉換為輸出數位碼值。第二值是常數。

本發明的溫度感測方法包括：由感測器基於第一條件產生對應於環境溫度的第一感測訊號，並基於不同於第一條件的第二條件產生對應於環境溫度的第二感測訊號，其中第一感測訊號不同於第二感測訊號；由轉換電路對第一感測訊號以及第二感測訊號進行減法運算以獲得結果差值；由轉換電路依據結果差值以及第一感測訊號以運算出補償值；以及由轉換電路將結果差值以及補償值進行乘法運算以獲得乘法值，將第一感測訊號減去乘法值以產生第一值，將第一感測訊號加上乘法值以產生第二值，將第一值除以第二值以產生輸出值，並且將輸出值轉換為輸出數位碼值。第二值是常數。

基於上述，轉換電路將結果差值以及補償值進行乘法運算以獲得乘法值，將第一感測訊號減去乘法值以產生第一值，將第一感測訊號加上乘法值以產生第二值，並且將第一值除以第二值以產生輸出值。應注意的是，第二值是常數。如此一來，溫度感測裝置具有高感測線性度。

為讓本發明的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。

100:溫度感測裝置

110:感測器

120:轉換電路

C:常數值

DOUT:數位碼值

IS1:第一電流源

IS2:第二電流源

K:補償值

MU:乘法值

Q1:第一雙極性電晶體

Q2_1~Q2_m:第二雙極性電晶體

S110~S140:步驟

SL1、SL2:斜率

V1:第一值

V2:第二值

VO:輸出值

VSEN1:第一感測訊號

VSEN2:第二感測訊號

△V:結果差值

圖1是依據本發明一實施例所繪示的溫度感測裝置的示意圖。

圖2是依據本發明一實施例所繪示的訊號與溫度的關係示意圖。

圖3是依據本發明一實施例所繪示的轉換電路的電路示意圖。

圖4是依據本發明一實施例所繪示的感測器的電路示意圖。

圖5是依據本發明一實施例所繪示的溫度感測方法的方法流程圖。

本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。

請參考圖1，圖1是依據本發明一實施例所繪示的溫度感測裝置的示意圖。在本實施例中，溫度感測裝置100包括感測器110以及轉換電路120。感測器110基於第一條件產生對應於環境溫度的第一感測訊號VSEN1，並基於第二條件產生對應於環境溫度的第二感測訊號VSEN2。

在本實施例中，第一條件與第二條件並不相同。因此，第一感測訊號VSEN1不同於第二感測訊號VSEN2。第一條件以及第二條件分別是感測器110的第一感測靈敏度以及第二感測靈敏度。感測器110的第一感測靈敏度被設計為不同於第二感測靈敏度。在本實施例中，第一條件的感測靈敏度會被設計為高於第二條件的感測靈敏度。

以本實施例為例，第一感測訊號VSEN1以及第二感測訊號VSEN2分別是類比電壓訊號，本發明並不以此為限。在一些實施例中，第一感測訊號VSEN1以及第二感測訊號VSEN2分別是類比電流訊號。

在本實施例中，轉換電路120耦接於感測器110。轉換電路120接收來自於感測器110的第一感測訊號VSEN1以及第二感測訊號VSEN2。轉換電路120對第一感測訊號VSEN1以及第二感測訊號VSEN2進行減法運算以獲得結果差值△V。轉換電路120依據結果差值△V以及第一感測訊號VSEN1以運算出補償值K。補償值K相關於環境溫度或者是常數。轉換電路120將結果差值△V以及補償值K進行乘法運算以獲得乘法值MU。補償值K相關於環境溫度。轉換電路120將第一感測訊號VSEN1減去乘法值MU以產生第一值V1，將第一感測訊號VSEN1加上乘法值MU以產生第二值V2，並將第一值V1除以第二值V2以產生輸出值VO。第二值V2是常數。轉換電路120將輸出值VO轉換為輸出數位碼值DOUT。

在此值得一提的是，轉換電路120將第一感測訊號VSEN1與第二感測訊號VSEN2之間的結果差值△V以及補償值K進行乘法運算以獲得乘法值MU，將第一感測訊號VSEN1減去乘法值MU以產生第一值V1，將第一感測訊號VSEN1加上乘法值MU以產生第二值V2，並且將第一值V1除以第二值V2以產生輸出值VO。應注意的是，第二值V2是常數。第二值V2(也就是，分母)並不會基於環境溫度的改變而改變。如此一來，溫度感測裝置100具有高感測線性度。

在一些實施例中，轉換電路120可以在測試階段或在初次使用時獲得補償值K，並儲存補償值K與環境溫度的關係。因此，轉換電路120並不需要在每次使用時重新計算補償值K。在一些實施例中，轉換電路120可以在測試階段或在初次使用時獲得乘法值MU與環境溫度的關係，並儲存乘法值MU與環境溫度的關係。因此，轉換電路120並不需要在每次使用時重新計算乘法值MU。

具體來說明，請同時參考圖1以及圖2，圖2是依據本發明一實施例所繪示的訊號與溫度的關係示意圖。圖2示出第一感測訊號VSEN1、第二感測訊號VSEN2、結果差值△V、第一值V1、第二值V2以及乘法值MU與溫度的關係示意圖。

在本實施例中，轉換電路120對第一感測訊號VSEN1以及第二感測訊號VSEN2進行減法運算以獲得結果差值△V。在本實施例中，轉換電路120將第二感測訊號VSEN2減去第一感測訊號VSEN1以獲得結果差值△V。在本實施例中，在環境溫度T1，第二感測訊號VSEN2與第一感測訊號VSEN1之間會產生對應於環境溫度T1的差異。在環境溫度T2，第二感測訊號VSEN2與第一感測訊號VSEN1之間會產生對應於環境溫度T2的差異。在環境溫度T3，第二感測訊號VSEN2與第一感測訊號VSEN1之間會產生對應於環境溫度T3的差異。對應於環境溫度T1、T2、T3的差異彼此不相同。以本實施例為例，環境溫度T3大於環境溫度T2。環境溫度T2大於環境溫度T1。對應於環境溫度T3的結果差值△V大於對應於環境溫度T2的結果差值△V。對應於環境溫度T2的結果差值△V大於對應於環境溫度T1的結果差值△V。

第一感測訊號VSEN1對應於環境溫度具有斜率SL1。第二感測訊號VSEN2對應於環境溫度具有斜率SL2。斜率SL1、SL2分別為負值。斜率SL1的絕對值大於斜率SL2的絕對值。這意謂著，第一條件的感測靈敏度高於第二條件的感測靈敏度。因此，結果差值△V會隨著環境溫度的增加而增加。

轉換電路120將第二感測訊號VSEN2與第一感測訊號VSEN1之間的結果差值△V以及補償值K進行乘法運算以獲得乘法值MU(即，MU=K×△V)。乘法值MU對應於環境溫度具有運算斜率。運算斜率是斜率SL1的負值(即，“-SL1”)。轉換電路120將第一感測訊號VSEN1加上乘法值MU以產生第二值V2。因此，第二值V2是常數。

在本實施例中，轉換電路120會依據公式(1)來獲得輸出值VO。

VS1是第一感測訊號VSEN1的訊號值。

假設第二值V2是常數值C，轉換電路120會依據公式(2)、(3)來獲得補償值K。

C=VS1+K×△V......公式(2)

也就是說，轉換電路120將常數值C減去第一感測訊號VSEN1以獲得參考差值，並將參考差值除以結果差值△V以獲得補償值K。常數值C可以是不等於“0”的任意實數。舉例來說，常數值C可以是“1”，本發明並不以此為限。

因此，輸出值VO被表示為如公式(4)所示。

應注意的是，乘法值MU的運算斜率是斜率SL1的負值。第一值V1實質上等於第一感測訊號VSEN1的斜率SL1的兩倍 (即，“-2×SL1”)。第二值V2是常數。因此，輸出值VO的靈敏度實質上等於第一感測靈敏度的兩倍。

請參考圖3，圖3是依據本發明一實施例所繪示的轉換電路的電路示意圖。在本實施例中，轉換電路120包括減法器121、運算電路122以及類比數位轉換器(ADC)123。減法器121接收第一感測訊號VSEN1以及第二感測訊號VSEN2。減法器121將第二感測訊號VSEN2減去第一感測訊號VSEN1以產生結果差值△V。運算電路122耦接於減法器121。運算電路122接收第一感測訊號VSEN1以及結果差值△V。基於公式(3)，運算電路122依據結果差值△V以及第一感測訊號VSEN1以運算出補償值K。運算電路122將結果差值△V以及補償值K進行乘法運算以獲得乘法值MU。此外，基於公式(1)，運算電路122將第一感測訊號VSEN1減去乘法值MU以產生第一值V1，將第一感測訊號VSEN1加上乘法值MU以產生第二值V2，並將第一值V1除以第二值V2以產生輸出值VO。類比數位轉換器123接收輸出值VO，將輸出值VO轉換為輸出數位碼值DOUT。

請同時參考圖1以及圖4，圖4是依據本發明一實施例所繪示的感測器的電路示意圖。在本實施例中，感測器110包括第一電流源IS1以及第一雙極性電晶體Q1。第一雙極性電晶體Q1的基極耦接至第一雙極性電晶體Q1的集極、轉換電路120以及第一電流源IS1。第一雙極性電晶體Q1的射極耦接至參考低電位(例如是接地)。在本實施例中，感測器110可藉由第一電流源IS1以及第一雙極性電晶體Q1的配置提供第一條件。第一雙極性電晶體Q1的基極以及集極共同被作為感測器110的第一輸出端。感測器110經由第一輸出端將第一感測訊號VSEN1提供至轉換電路120。本實施例的第一雙極性電晶體Q1是由NPN雙極性電晶體來實現。

在一些實施例中，第一雙極性電晶體Q1可以被二極體所取代。舉例來說，二極體的陽極耦接到第一電流源IS1以及轉換電路120。二極體的陽極被作為感測器110的第一輸出端。二極體的陰極耦接至參考低電位。

在一些實施例中，第一雙極性電晶體Q1可以被任意形式的N型場效電晶體所取代。舉例來說，N型場效電晶體的閘極耦接至N型場效電晶體的汲極、第一電流源IS1以及轉換電路120。N型場效電晶體的閘極以及汲極共同被作為感測器110的第一輸出端。N型場效電晶體的源極耦接至參考低電位。

在本實施例中，感測器110還包括第二電流源IS2以及第二雙極性電晶體Q2_1~Q2_m。第二雙極性電晶體Q2_1的基極耦接至第二雙極性電晶體Q2_1的集極、轉換電路120以及第二電流源IS2。第二雙極性電晶體Q2_1的射極耦接至參考低電位。第二雙極性電晶體Q2_2的基極耦接至第二雙極性電晶體Q2_2的集極、轉換電路120以及第二電流源IS2。第二雙極性電晶體Q2_2的射極耦接至參考低電位，依此類推。也就是說，第二雙極性電晶體Q2_1~Q2_m分別是以二極體連接(diode-connected)方式被連接，並且彼此相互並聯。在本實施例中，感測器110可藉由第二電流源IS2以及第二雙極性電晶體Q2_1~Q2_m的配置提供不同於第一條件的第二條件。

第二雙極性電晶體Q2_1~Q2_m的基極以及集極共同被作為感測器110的第二輸出端。感測器110經由第二輸出端將第二感測訊號VSEN2提供至轉換電路120。本實施例的第二雙極性電晶體Q2_1~Q2_m分別是由NPN雙極性電晶體來實現。

在本實施例中，第一電流源IS1所提供的電流值可以大於第二電流源IS2所提供的電流值。如此一來，第一感測訊號VSEN1的變化量會更大於第二感測訊號VSEN2的變化量，藉以提高溫度感測裝置100對環境溫度T1、T2、T3的識別效果。

在一些實施例中，第二雙極性電晶體Q2_1~Q2_m分別可以被二極體所取代。舉例來說，多個二極體的陽極共同耦接到第一電流源IS1以及轉換電路120。多個二極體的陽極共同被作為感測器110的第二輸出端。多個二極體的陰極共同耦接至參考低電位。

在一些實施例中，第二雙極性電晶體Q2_1~Q2_m分別可以被任意形式的N型場效電晶體所取代。舉例來說，多個N型場效電晶體的閘極分別耦接至多個N型場效電晶體的汲極、第一電流源IS1以及轉換電路120。多個N型場效電晶體的閘極以及汲極共同被作為感測器110的第二輸出端。多個N型場效電晶體的源極耦接至參考低電位。

為了便於說明，本實施例的第一雙極性電晶體Q1的數量以一個為例。本發明的第一雙極性電晶體的數量可以是多個，並且第一雙極性電晶體的數量少於第二雙極性電晶體的數量。本發明的第一雙極性電晶體的數量並不以本實施例為限。

請同時參考圖1以及圖5，圖5是依據本發明一實施例所繪示的溫度感測方法的方法流程圖。在步驟S110中，感測器110基於第一條件產生對應於環境溫度的第一感測訊號VSEN1，並基於第二條件產生對應於環境溫度的第二感測訊號VSEN2。在步驟S120中，轉換電路120對第一感測訊號VSEN1以及第二感測訊號VSEN2進行減法運算以獲得結果差值△V。在步驟S130中，轉換電路120依據結果差值△V以及第一感測訊號VSEN1以運算出補償值K。

在步驟S140中，轉換電路120將結果差值△V以及補償值K進行乘法運算以獲得乘法值MU。轉換電路120將第一感測訊號VSEN1減去乘法值MU以產生第一值V1，將第一感測訊號VSEN1加上乘法值MU以產生第二值V2，並將第一值V1除以第二值V2以產生輸出值VO。第二值V2是常數。此外，轉換電路120將輸出值VO轉換為輸出數位碼值DOUT。

步驟S110~S140的實施細節已經在圖1至圖4的多個實施例中清楚說明，故不在此重述。

綜上所述，轉換電路將結果差值以及補償值進行乘法運算以獲得乘法值，將第一感測訊號減去乘法值以產生第一值，將第一感測訊號加上乘法值以產生第二值，並且將第一值除以第二值以產生輸出值。第二值是常數。如此一來，溫度感測裝置具有高感測線性度。此外，溫度感測裝置的感測靈敏度會增加。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。