CN103245435B - 用于cmos温度传感器的温度校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法。该校准装置包括CMOS感温电路、数据处理单元、斜率寄存器、截距寄存器、温度值寄存器以及标准测温计。本发明的用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法，不需外加电压源，只利用两个温度测试点就可在将温度传感器校准到±0.2℃的精度，校准速度快，不增加***电路，因此大大降低了测试成本。

Description

用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法

技术领域

本发明涉及CMOS温度传感器，更具体地，是一种用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法。

背景技术

集成CMOS温度传感器利用CMOS工艺中的寄生PNP三级管作为感温元件产生V_BE和ΔV_BE两个与温度相关的电压信号，其中V_BE电压随温度升高而减小，ΔV_BE电压随温度升高而增大。温度的读出值可以用一个与温度线性相关的变量αΔV_BE（V_PTAT）相对一个与温度无关的常量αΔV_BE+V_BE（V_REF）的比例关系求得，具体如图1所示。

V_BE在25℃温度系数约为-2mV/℃，ΔV_BE在25℃的温度系数取决于两个PNP三级管的电流比，如果采用1；5电流比，则ΔV_BE在25℃的温度系数约0.14mV/℃，因此α＝14时可以在-55℃～125℃可以得到与温度变化无关的V_REF，其中，

V_REF＝αΔV_BE+V_BE；          (公式1)

用比例值μ作为变量，其中，

$\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\α\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{{\mathrm{\α\ΔV}}_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{BE}}};$           (公式2)

通过以下线性方程可以得到温度读出值：

T_OUT＝A.μ+B          (公式3)

其中A≈680,B≈280，T_OUT是温度读出值。

工艺漂移及其芯片封装会造成V_BE随温度的变化率发生变化，从而导致温度读出值T_OUT随温度的变化斜率偏离理想值1。图2示出了在-55℃～125℃温度范围内温度读出值T_OUT随温度的变化率与V_BE随温度变化率的关系。当V_BE随温度变化的直线斜率的绝对值偏小时，T_OUT随温度变化的直线斜率偏大；当V_BE随温度变化的直线斜率的绝对值偏大时，T_OUT随温度变化的直线斜率偏小。图2中阴影部分表示T_OUT随温度变化直线斜率的范围，由图可知，直线斜率的偏差会降低温度传感器温度读出值T_OUT的精度。

发明内容

为了解决温度读出值T_OUT随温度的变化斜率偏离理想值而导致精度降低的问题，本发明提出了一种用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法。该装置包括CMOS感温电路、数据处理单元、斜率寄存器、截距寄存器、温度值寄存器以及标准测温计，其中：

该CMOS感温电路和该数据处理单元相连接，其具有一个温度表征预定变量，并输出温度读出值，该温度读出值与该预定温度表征量为预定线性关系；

该斜率寄存器和该数据处理单元相连接，用于寄存斜率默认值或斜率校准值；

该截距寄存器和该数据处理单元相连接，用于寄存截距默认值或截距校准值；

该标准测温计与该数据处理单元相连接，用于确定两个测温点；

该温度值寄存器与该数据处理单元相连接，用于寄存在该两个测温点对应的该CMOS感温电路的两个温度读出值；

该数据处理单元用于根据该两个实际温度输出和该预定线性关系，确定对应的两个温度表征量输出值，并根据该两个测温点和该两个温度表征量输出值，进行实际线性关系拟合，确定该斜率校准值和该截距校准值。

优选地，所述数据处理单元为微处理器。

本发明的用于CMOS温度传感器的温度校准方法，包括如下步骤：

S100，确定该CMOS温度传感器的温度表征预定变量和温度读出值变量的预定线性关系，该预定线性关系包括斜率默认值和截距默认值；

S200，在两个测温点下，利用CMOS温度传感器的两个温度读出值，并根据该预定线性关系，确定对应的两个温度表征量输出值；

S300，根据该两个测温点和该两个温度表征量输出值，进行实际线性关系拟合，确定斜率校准值和截距校准值。

优选地，所述预定线性关系为：

T_OUT＝A.μ+B；

其中，T_OUT为温度读出值变量，μ为温度表征预定变量，A为斜率默认值，B为截距默认值。

优选地，所述两个温度表征量输出值分别为：

μ $\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_1=(T1-B)/A\\ {\mathrm{\μ}}_2=(T2-B)/A\end{array};$

其中，μ₁、μ₂分别为所述两个温度表征值输出值，T1、T2分别为所述两个测温点下的两个温度读出值。

优选地，所述斜率校准值和截距校准值为：

$\begin{array}{c}{A}_c=(T_{W2}-T_{W1})/({\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_1)\\ B_c=-({\mathrm{A\μ}}_2-T_{W2})\end{array};$

其中，A_C为所述斜率校准值，B_C为所述截距校准值，T_W1、T_W2为所述两个测温点。

本发明的用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法，不需外加电压源，只利用两个温度测试点就可在-55℃～125℃温度范围内将温度传感器校准到±0.2℃的精度，校准速度快，不增加***电路，因此大大降低了测试成本。

附图说明

图1为感温元件的输出信号和温度的线性关系示意图；

图2为表现出CMOS温度传感器输出信号和读出值的线性关系偏移的示意图；

图3为本发明的用于CMOS温度传感器的温度校准装置的组成示意图；

图4为利用图3中的温度校准装置进行温度校准的方法的流程示意意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明的用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法的组成结构或步骤以及工作原理进行详细说明。

如图3所示，为本发明的用于CMOS温度传感器的温度校准装置的组成示意图，其包括CMOS感温电路110、数据处理单元140、斜率寄存器120、截距寄存器130、温度值寄存器150以及标准测温计160。

更具体地，CMOS感温电路110和数据处理单元140相连接，其具有一个温度表征预定变量，并输出温度读出值，该温度读出值与该预定温度表征量为预定线性关系。如上所述，该温度表征预定变量为一个与CMOS感温电路110内的两个电压信号V_BE和ΔV_BE相关的变量μ（如公式2所示），并且该变量和温度读出值呈线性关系（如公式3所示）。

在该实施方式中，CMOS感温电路110可以是常规的由CMOS工艺中的寄生PNP三极管作为感温元件形成的集成CMOS感温电路。并且，数据处理单元140可以是任何能够进行线性关系运算和输出的处理装置，包括中央处理器、数字信号处理器、专用可编程逻辑芯片等。在该实施方式中，数据处理单元140为微处理器。

斜率寄存器120和数据处理单元140相连接，用于寄存斜率默认值或斜率校准值。截距寄存器130和数据处理单元140相连接，用于寄存截距默认值或截距校准值。

如上所述，上述预定线性关系（公式3），由斜率默认值A和截距默认值B确定，在进行校准前，可以将该斜率默认值A和截距默认值B预先存入对应的斜率寄存器120和截距寄存器130内。并且，在进行校准后，斜率寄存器120可用于寄存经校准的斜率校准值，截距寄存器130可用于寄存经校准的截距校准值。

标准测温计160与数据处理单元140相连接，用于确定两个测温点。标准测温计160可采用常规的标准温度计，以精确地确定测温点。在该发明中，需至少对两个测温点T_W1、T_W2进行确定，以进行线性关系校准。

温度值寄存器150与数据处理单元140相连接，用于寄存在该两个测温点对应的CMOS感温电路110的两个温度读出值T1、T2。在两个实际测温点T_W1、T_W2下，CMOS感温电路110经由数据处理单元140计算，根据线性关系，会产生两个温度读出值，该两个温度读出值可寄存在温度值寄存器150内以用于后续的校准处理。

该数据处理单元140用于根据两个实际温度输出T1、T2和该预定线性关系（公式3），确定对应的两个温度表征量输出值μ₁、μ₂，并根据两个测温点T_W1、T_W2和两个温度表征量输出值μ₁、μ₂，进行实际线性关系拟合，确定该斜率校准值和该截距校准值。由此，完成对线性关系的校准。具体的数据处理过程将在下文进行更详细描述。

以下对利用该校准装置进行校准的方法进行说明。如图4所示，是该方法的流程图，该方法总体上包括步骤S100-S400。以下结合图3、4，对各步骤进行具体描述。

在步骤S100中，确定该CMOS温度传感器的温度表征预定变量和温度读出值变量的预定线性关系，该预定线性关系包括斜率默认值和截距默认值。

如上述公式3所示，预定线性关系为：

T_OUT＝A.μ+B；

其中，T_OUT为温度读出值变量，μ为温度表征预定变量，A为斜率默认值，B为截距默认值。

从上可以看出，T_OUT和μ的预定线性关系由A，B确定，A、B值可以是任意的默认值，但是为校准方便，斜率默认值和截距默认值可设定为电路仿真值。如上所述，斜率默认值和截距默认值可分别寄存在斜率寄存器120和截距寄存器130内。

S200，在两个测温点下，利用CMOS温度传感器的两个温度读出值，并根据该预定线性关系，确定对应的两个温度表征量输出值。

该两个测温点T_W1、T_W2可以是CMOS温度传感器有效输出温度内的任意两个温度值，例如图2中所示的T_W1=-55℃和T_W2=125℃。并且，根据公式3中预定线性关系中的斜率默认值A和截距默认值B，计算该两个测温点下的两个温度表征量输出值。

两个温度表征量输出值具体计算如下：

$\begin{array}{c}T1={\mathrm{A\μ}}_1+B\\ T2={\mathrm{A\μ}}_2+B\end{array};$           （公式4）

从而得出：

μ $\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_1=(T1-B)/A\\ {\mathrm{\μ}}_2=(T2-B)/A\end{array};$           （公式5）

公式4、5中，μ₁、μ₂分别为所述两个温度表征值输出值，T1、T2分别为所述两个测温点下的两个温度读出值。该计算可在数据处理单元140中完成。

在步骤S300，根据两个测温点T_W1、T_W2和该两个温度表征量输出值μ₁、μ₂，进行实际线性关系拟合，确定斜率校准值和截距校准值。

该计算可在数据处理单元中完成。具体地，确定斜率校准值和截距校准值的计算公式如下：

首先，对每个测温点和对应的温度表征量输出进行实际线性关系拟合：

$\begin{array}{c}{T}_{W1}=A_c{\mathrm{\μ}}_1+B\\ T_{W2}=A_c{\mathrm{\μ}}_2+B\end{array};$           （公式6）

进而得出：

B $\begin{array}{c}{A}_c=(T_{W2}-T_{W1})/({\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_1)\\ B_c=-({\mathrm{A\μ}}_2-T_{W2})\end{array};$           （公式7）

其中，A_C为斜率校准值，B_C为截距校准值，T_W1、T_W2为所述两个测温点。

接着，可将计算出的斜率校准值A_C和截距校准值B_C分别填入斜率寄存器120和截距寄存器130，从而完成对CMOS温度传感器的校准。

综上所述，本发明的校准装置和方法，不需要外加电压源，只需两个测温点即可完成在一定温度范围内（如-55℃～125℃）的温度校准，从而可将CMOS温度传感器的精度提高至±0.2℃的精度，并且该校准装置和方法校准速度快，不增加***电路，从而大大降低了测试成本。

Claims (6)

1.一种用于CMOS温度传感器的温度校准装置，其特征在于，包括CMOS感温电路、数据处理单元、斜率寄存器、截距寄存器、温度值寄存器以及标准测温计，其中：

该CMOS感温电路和该数据处理单元相连接，其具有一个温度表征预定变量，并输出温度读出值，该温度读出值与该温度表征预定变量为预定线性关系；

该斜率寄存器和该数据处理单元相连接，用于寄存斜率默认值或斜率校准值；

该截距寄存器和该数据处理单元相连接，用于寄存截距默认值或截距校准值；

该标准测温计与该数据处理单元相连接，用于确定两个测温点；

该温度值寄存器与该数据处理单元相连接，用于寄存在该两个测温点对应的该CMOS感温电路的两个温度读出值，所述两个温度读出值与所述两个测温点分别一一对应；

该数据处理单元用于根据该两个温度读出值和该预定线性关系，确定对应的两个温度表征量输出值，并根据该两个测温点和该两个温度表征量输出值，进行实际线性关系拟合，确定该斜率校准值和该截距校准值。

2.根据权利要求1所述的用于CMOS温度传感器的温度校准装置，其特征在于，所述数据处理单元为微处理器。

3.一种用于CMOS温度传感器的温度校准方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S100，确定该CMOS温度传感器的温度表征预定变量和温度读出值变量的预定线性关系，该预定线性关系包括斜率默认值和截距默认值；

S200，在两个测温点下，利用CMOS温度传感器的两个温度读出值，并根据该预定线性关系，确定对应的两个温度表征量输出值；

S300，根据该两个测温点和该两个温度表征量输出值，进行实际线性关系拟合，确定斜率校准值和截距校准值。

4.根据权利要求3所述的用于CMOS温度传感器的温度校准方法，其特征在于，所述预定线性关系为：

T_OUT＝A.μ+B；

其中，T_OUT为温度读出值变量，μ为温度表征预定变量，A为斜率默认值，B为截距默认值。

5.根据权利要求4所述的用于CMOS温度传感器的温度校准方法，其特征在于，所述两个温度表征量输出值分别为：

μ₁＝(T1-B)/A

                              ；

μ₂＝(T2-B)/A

其中，μ₁、μ₂分别为所述两个温度表征值输出值，T1、T2分别为所述两个测温点下该CMOS温度传感器的两个温度读出值。

6.根据权利要求5所述的用于CMOS温度传感器的温度校准方法，其特征在于，所述斜率校准值和截距校准值为：

A_c＝(T_W2-T_W1)/(μ₂-μ₁)

                              ；

B_c＝-(Aμ₂-T_W2)

其中，A_C为所述斜率校准值，B_C为所述截距校准值，T_W1、T_W2为所述两个测温点。