CN102175337B - 温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度传感器，要解决的技术问题是使其具有较低的工作电压、高的分辨率。本发明由分频器、温度脉冲产生电路和测温计数器顺序连接组成；分频器用于将由石英晶振产生的参考时钟信号分频；温度脉冲产生电路用于产生脉冲宽度受环境温度变化影响的周期脉冲信号；测温计数器用于检测在温度脉冲产生电路输出的脉冲宽度内由石英晶振输出的参考时钟信号的时钟个数；分频器和测温计数器接收同一参考时钟信号，并受同一使能信号控制。本发明与现有技术相比，适应集成电路工艺进步带来的工作电压降低问题，从而满足了先进集成电路对低电压高分辨率温度传感器的需求。

Description

温度传感器

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，特别是一种低工作电压、高分辨率的温度传感器。

背景技术

温度传感器是环境监控的重要组成部件。传统的温度传感器一般采用“温度-电压-数模转换”的工作模式，核心部件之一是模拟/数字转换器，即通常所说的ADC。随着当前半导体工艺的进步，电路的工作电压越来越低，相应地，ADC输入端的满量程电压也越来越低。如果ADC的转换位数不变，工作电压降低，则ADC的电压检测灵敏度相应减低，电路的噪声水平降低，这些都给低工作电压条件下以ADC为核心的温度传感器的设计提出了新的要求，以能适应集成电路工艺进步，工作电压降低的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度传感器，要解决的技术问题是使其具有较低的工作电压、高的分辨率。

本发明采用以下技术方案：一种温度传感器，由分频器、温度脉冲产生电路和测温计数器顺序连接组成；所述分频器用于将由石英晶振产生的参考时钟信号分频；所述温度脉冲产生电路用于产生脉冲宽度受环境温度变化影响的周期脉冲信号；所述测温计数器用于检测在温度脉冲产生电路输出的脉冲宽度内由石英晶振输出的参考时钟信号的时钟个数；所述分频器和测温计数器接收同一参考时钟信号，并受同一使能信号控制。

本发明的分频器分频后的时钟不超过5Hz。

本发明的温度脉冲产生电路由温控延迟线、匹配延迟线、异或门和与门组成，所述温控延迟线和匹配延迟线的输入端接分频器输出端，输出端分别接异或门的两个输入端，所述异或门的输出端与分频器输出端分别接与门的两个输入端。

本发明的温控延迟线用于受环境温度影响使输入的分频器输出的分频时钟信号在延迟线内产生随温度线性变化的相位延迟，该相位延迟不超过输入分频时钟信号周期的二分之一。

本发明的温控延迟线采用1个非门+1个3.62pF电容+1个非门+1个非门+1个非门串联构成。

本发明的匹配延迟线用于对输入的分频时钟信号产生受环境温度变化影响固定的相位延迟。

本发明的匹配延迟线由2个非门串联构成。

本发明的分频器由1个20位同步二进制计数器构成。

本发明的测温计数器由1个24位同步二进制计数器构成。

本发明的温度传感器采用互补金属氧化物半导体工艺实现。

本发明与现有技术相比，采用分频器将输入的标准参考时钟分频，使分频后的时钟不超过5Hz，然后温度脉冲产生电路产生与环境温度相关的可变脉冲宽度信号，最后测量计数器检测温度脉冲宽度等价的输入标准参考时钟的整周期数，以适应集成电路工艺进步带来的工作电压降低问题，从而满足了先进集成电路对低电压高分辨率温度传感器的需求。

附图说明

图1为本发明温度传感器的结构框图。

图2为本发明温度传感器的工作流程图。

图3为本发明温度传感器各主要信号的时序图。

图4为本发明的温度脉冲产生电路的原理图。

图5为本发明实施例两种工艺模型计数输出值和温度的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明的温度传感器由分频器11、温度脉冲产生电路12和测温计数器13顺序连接组成，分频器11和测温计数器13接收同一参考时钟信号，并受同一使能信号控制。

分频器11用于将由石英晶振产生的参考时钟信号分频，使分频后的时钟不超过5Hz，其输入信号为石英晶振输出的参考时钟信号，输出为分频后的时钟信号。 

温度脉冲产生电路12用于产生脉冲宽度受环境温度变化影响的周期脉冲信号，温度脉冲产生电路12的输入信号为分频器11输出的分频后的时钟信号，输出为周期脉冲信号。

测温计数器13用于检测在温度脉冲产生电路12输出的脉冲宽度内由石英晶振输出的参考时钟信号的时钟个数，计数结果通过测温计数器13的Dout信号脚输出。 

如图2和图3所示，在使能信号的有效电平时间内对分频器11和测温计数器13进行异步复位，当使能信号的有效电平撤除后，温度传感器进入工作状态。进入工作状态后，分频器11首先对输入的参考时钟进行分频，分频器11每输出一个高电平半周期信号，测温脉冲产生电路12和测温计数器13进行一次温度检测，测温计数器13对每次的测温计数值进行累加。当分频器11输出第5个高电平半周期信号时，测温脉冲产生电路12和测温计数器13不再进行温度检测。当分频器11完成第5个分频时钟输出后即停止分频操作，等待使能信号。

如图4所示，温度脉冲产生电路12由温控延迟线21、匹配延迟线22、异或门23和与门24组成，温控延迟线21和匹配延迟线22的输入端接分频器11输出的分频时钟信号，输出端分别接异或门23的两个输入端，异或门23的输出端与分频时钟信号分别接与门24的两个输入端。温控延迟线21的输入端接收分频器11输出的分频时钟信号，温控延迟线21受环境温度影响使输入的分频时钟信号在延迟线内产生随温度接近线性变化的相位延迟，同时在最大延迟条件下，需保证延迟线产生的相位延迟不超过二分之一输入的分频时钟周期。匹配延迟线22用于对输入的分频时钟信号产生受环境温度变化影响较小的近似固定的相位延迟，使之和温控延迟线21所能产生的最小相位延迟一致。异或门23的两个输入端分别接收温控延迟线21和匹配延迟线22的输出，其作用是将温控延迟线21和匹配延迟线22的相位延迟差转换为输出脉冲的宽度，由于匹配延迟线22产生的相位延迟受温度影响较小，因此异或门23输出的信号脉冲宽度主要反映温控延迟线21产生的相位延迟随温度的变化情况。与门24的输入端分别为分频时钟信号和异或门23的输出信号，只有在分频时钟的高电平半周期内由异或门23的输出脉冲信号才可以通过与门24，这样就保证了温度脉冲产生电路12的输出脉冲宽度只反映分频时钟的上升沿相位延迟随温度变化的影响。

实施例，温度传感器采用互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺实现，电路采用的标准逻辑单元库由英国ARM公司提供。分频器采用20位二进制计数器实现，当输入时钟为6MHz时，输入分频时钟为                                                

，由1个20位同步二进制计数器构成，用Verilog语言可描述为；

module count20(clk,clr,ena,cout,q);

input clk,clr,ena;

output [19:0] q;

output cout;

reg [19:0]q;

always (posedge clr or posedge clk)

begin

if(clr) q='h0000;

else if (ena) q=q+1;

end

assign cout=&q;

Endmodule

测温计数器由1个24位同步二进制计数器构成，用Verilog语言可描述同上述20位二进制计数器类似，只需将位长改为24即可。

温控延迟线采用1个非门+1个3.62pF电容+1个非门+1个非门+1个非门的全串联方式，构成一个随温度变化的电流源对3.62pF电容充电的方式产生相位延迟。

匹配延迟线采用2个非门串联，构成一个随温度变化小于温控延迟线的门延迟电路。

上述非门采用标准逻辑单元库中的INV1X单元。

异或门采用标准逻辑单元库中的XOR2单元，用Verilog语言可描述为：

module XOR2(A, B, Y);

input A, B;

output Y;

assign Y=A^B;

endmodule

与门采用标准逻辑单元库中的AND2单元，用Verilog语言可描述为：

module AND2(A, B, Y);

input A, B;

output Y;

assign Y=A&B;

endmodule

参考时钟信号采用电压0~1.8V、频率6MHz的方波信号，从与门输出的使能信号为电压0~1.8V、频率5Hz方波。在-40℃和最佳工艺特性（最佳工艺特性由SMIC公司提供的HSPICE模型中的FF模型）、+85℃温度和最差工艺特性（最差工艺特性由SMIC公司提供的HSPICE模型中的SS模型）两种仿真条件下，采用Synopsys公司的HSPICE 2005.03版仿真模拟得到。如图5所示，是两种模型下从-40℃~+85℃计数输出值与温度的关系的曲线，图中灵敏度最小0.037℃。本实施例的温度传感器工作电压为1.8V，温度检测灵敏度高于0.062℃，转换精度0.1℃。现有技术如美国ADI公司生产的单通道温度传感器芯片AD7418实现的温度传感器工作电压为2.7~5.5VV，温度检测灵敏度0.5℃，转换精度0.25℃。

本发明的温度传感器，具有以下特点：一、输入标准参考时钟采用石英晶振输出的频率信号；二、通过输入分频器分频，可以在1秒内向温度脉冲产生电路输入多个参考脉冲信号，即可以在1秒内多次进行温度采样；三、测量计数器可对多次温度采样结果进行累积，等价于进行取平均温度值，有利于提高温度检测精度；四、温度传感器输出结果为“温度计数值”，需要进行转换才能还原为通常的摄氏度信息。由于本发明的温度传感器采用温度-时间转换方式，因此工作电压降低对测温电路的偏置电流影响较小，解决了集成电路工艺进步带来的工作电压降低问题，满足了集成电路对低电压高分辨率温度传感器的需求。

Claims (1)

1.一种温度传感器，其特征在于：所述温度传感器由分频器（11）、温度脉冲产生电路（12）和测温计数器（13）顺序连接组成；所述分频器（11）用于将由石英晶振产生的参考时钟信号分频；所述温度脉冲产生电路（12）用于产生脉冲宽度受环境温度变化影响的周期脉冲信号；所述测温计数器（13）用于检测在温度脉冲产生电路（12）输出的脉冲宽度内由石英晶振输出的参考时钟信号的时钟个数；所述分频器（11）和测温计数器（13）接收同一参考时钟信号，并受同一使能信号控制；

所述分频器（11）分频后的时钟不超过5Hz；

所述温度脉冲产生电路（12）由温控延迟线（21）、匹配延迟线（22）、异或门（23）和与门（24）组成，所述温控延迟线（21）和匹配延迟线（22）的输入端接分频器（11）输出端，输出端分别接异或门（23）的两个输入端，所述异或门（23）的输出端与分频器（11）输出端分别接与门（24）的两个输入端；

所述温控延迟线（21）用于受环境温度影响使输入的分频器（11）输出的分频时钟信号在延迟线内产生随温度线性变化的相位延迟，该相位延迟不超过输入分频时钟信号周期的二分之一；

所述温控延迟线（21）采用1个非门+1个3.62pF电容+1个非门+1个非门+1个非门串联构成；

所述匹配延迟线（22）用于对输入的分频时钟信号产生受环境温度变化影响固定的相位延迟；

所述匹配延迟线（22）由2个非门串联构成；

所述分频器（11）由1个20位同步二进制计数器构成；

所述测温计数器（13）由1个24位同步二进制计数器构成；

所述温度传感器采用互补金属氧化物半导体工艺实现。

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