CN103837253B - 一种cmos温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CMOS温度传感器。该CMOS温度传感器包括一个双极晶体管、过采样的模数转换模块、校准模块和至少两路单元电流源，单元电流源的输出端通过切换模块耦合到双极晶体管的发射极，所述双极晶体管的集电极和基极与参考地连接，并连接到模数转换模块；所述模数转换模块连接有基准电压；所述切换模块先将所有的单元电流源同时切换到双极晶体管；模数转换模块输出第一转换结果；然后在模数转换模块的一个采集周期内依次将单元电流源切换到双极晶体管,每次只有一个单元电流源导通，模数转换模块输出第二转换结果；所述校准模块综合第一转换结果和第二转换结果得出最终校正值。本发明可以提高CMOS温度传感器的校准效率。

Description

一种CMOS温度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器领域，尤其涉及一种CMOS温度传感器。

背景技术

随着各类电子产品的便携化和小型化，可以和数据采集电路，校准模块甚至***芯片集成的基于现代CMOS工艺的温度传感器具有体积小，成本低的特点而被广泛应用。这类CMOS集成温度传感器主要是基于带隙基准电压源电路，即通过双极晶体管及一些电流偏置电路分别构成一个与绝对温度成正比的PTAT电压和一个负温度系数的CTAT电压组合成一个没有温度系数的电压作为参考电压，通过测量PTAT电压或者CTAT电压与该参考电压的比例来实现温度的检测。这个过程中，由于芯片生产过程中的诸多不理想因素，导致最后的温度输出会有较大的偏差，通常包含了漂移，灵敏度偏差以及非线性偏差三类偏差。要达到+/-0.5℃内准确度通常需要在两个及以上温度点进行测量然后进行校准。由于温度校准设备的稳定时间很长，造成校准成本成为限制CMOS温度传感器生产的关键因素。

图1示出了传统的CMOS温度传感器电路原理图。双极晶体管和Q2分别为两个双极晶体管，R1，R2，R3则为三个电阻。R2与R1的比例确定了双极晶体管和Q2的集电极偏置电流比例N，同时Q2和双极晶体管的发射结面积比例为M，则VTP与VTN电压差可以表示为

在M和N固定的情况下，该项电压具有固定的正温度系数。同时运放输出电压VREF则为双极晶体管和电阻R1上的压降之和,由于运放两端电压理想情况下应该相同，R1和R2上的压降相同，均为

该电压也具有正温度系数。根据双极晶体管的特性，双极晶体管的偏置电压Vbe具有负温度系数，选择合适的R2和R3的比例，V_REF可以是一个几乎没有温度系数的电压。一般ln(MN)R2/R3的取值在17.2左右。将这个电压作为ADC的参考电压，将ΔVbe作为ADC输入，即可以得到一个仅与绝对温度相关的输出，该ADC输出经过后续的校准逻辑电路进行诸如漂移，灵敏度和非线性的校准，就可以得到温度读数。

上面的分析忽略了芯片实际生产过程中各个元件的失配和参数偏差造成的各种误差因素，如运放的输入失调电压，电阻R1,R2,R3的比例失调，双极晶体管自身参数的偏移使得Vbe漂移，ADC的输入失调电压，增益误差等等因素都会对最终温度输出带来漂移，灵敏度误差乃至非线性误差。通常好的器件布局，一些减小电路失调电压的电路技术如斩波稳零技术，相关双采样技术等可以用来减小这些误差，但是最终的温度误差仍然有较大偏差，如需将这些误差都被校准模块消除，至少需要在两个温度点下面测量并校准。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种提高校正效率的CMOS温度传感器。

本发明的CMOS温度传感器，包括一个双极晶体管、过采样的模数转换模块、校准模块和至少两路单元电流源，单元电流源的输出端通过切换模块耦合到双极晶体管的发射极，所述双极晶体管的集电极和基极与参考地连接，并连接到模数转换模块；所述模数转换模块连接有基准电压；

所述切换模块先将所有的单元电流源同时切换到双极晶体管；模数转换模块输出第一转换结果；然后在模数转换模块的一个采集周期内依次将单元电流源切换到双极晶体管,每次只有一个单元电流源导通，模数转换模块输出第二转换结果；所述校准模块综合第一转换结果和第二转换结果得出最终校正值。

进一步的，所述校准模块还包括产生不同单元电流源的偏置电流产生模块。

进一步的，所述切换模块包括与每个单元电流源输出端串接的开关单元，以及控制开关单元的动态单元匹配逻辑单元。

进一步的，所述第一转换结果D1的计算公式为：

D1＝(V_be1+V_os)*G_adc/V_REF

其中V_be1为双极晶体管在此次采样中的发射极电压；V_os为模数转换模块的输入失调电压；G_adc则为模数转换模块的增益；V_REF为模数转换模块(ADC)的参考电压。

进一步的，所述第二转换结果D2的计算公式为：

D2＝(V_be2+V_os)*G_adc/V_REF

其中V_be2为双极晶体管在此次采样中的发射极电压。

进一步的，所述最终校正值T_out的计算公式为：

其中K为一个增益校准系数，调整M值可以使得分母部分没有温度系数。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

考虑到两个阶段使用的是同一个双极晶体管，不存在发射结面积失配问题，而切换模块使单元电流源之间的失调的影响变小。因此两次采样的双极晶体管的发射极电压可以认为接近理想值。同时，模数转换模块的参考电压和增益对最后的输出没有影响，输入误差的影响相对传统CMOS温度传感器则变得很小，通过电路技术减小其大小可以使得对最后温度输出影响被忽略。仅有双极晶体管发射极电压本身的值会受到诸如工艺偏差，封装应力的影响而发生漂移。这个漂移可以通过在一个标准温度点下面测量后对M值进行微调，即可抵消掉此项漂移，从而得到精确的温度输出。因此，本发明只需要一个温度点就能实现CMOS温度传感器，相对于现有的双温度点的测量方案，校正效率显著提高。

附图说明

图1为现有的基于双温度点校准的CMOS温度传感器原理示意图。

图2为本发明的CMOS温度传感器电路原理示意图。

具体实施方式

本发明的CMOS温度传感器，包括一个双极晶体管、过采样的模数转换模块、校准模块和至少两路单元电流源，单元电流源的输出端通过切换模块耦合到双极晶体管的发射极，所述双极晶体管的集电极和基极与参考地连接，并连接到模数转换模块；所述模数转换模块连接有基准电压；

所述切换模块先将所有的单元电流源同时切换到双极晶体管；模数转换模块输出第一转换结果；然后在模数转换模块的一个采集周期内依次将单元电流源切换到双极晶体管,每次只有一个单元电流源导通，模数转换模块输出第二转换结果；所述校正模块综合第一转换结果和第二转换结果得出最终校正值。

考虑到两个阶段使用的是同一个双极晶体管，不存在发射结面积失配问题，而切换模块使单元电流源之间的失调的影响变小。因此两次采样的双极晶体管的发射极电压可以认为接近理想值。同时，模数转换模块的参考电压和增益对最后的输出没有影响，输入误差的影响相对传统CMOS温度传感器则变得很小，通过电路技术减小其大小可以使得对最后温度输出影响被忽略。仅有双极晶体管发射极电压本身的值会受到诸如工艺偏差，封装应力的影响而发生漂移。这个漂移可以通过在一个标准温度点下面测量后对M值进行微调，即可抵消掉此项漂移，从而得到精确的温度输出。因此，本发明只需要一个温度点就能实现CMOS温度传感器，相对于现有的双温度点的测量方案，校正效率显著提高。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，本发明的CMOS温度传感器，包括一个双极晶体管Q1、过采样的模数转换模块(ADC)、校准模块和至少两路单元电流源1，单元电流源1的输出端通过切换模块耦合到双极晶体管Q1的集电极，所述双极晶体管Q1的集电极和基极与参考地连接，并连接到模数转换模块；所述模数转换模块连接有基准电压。

所述校正模块还包括产生不同单元电流源1的偏置电流产生模块。所述切换模块包括与每个单元电流源1输出端串接的开关单元2，以及控制开关单元2的动态单元匹配逻辑单元(DEM逻辑)。

过采样的ADC，即一个转换周期内，对输入信号进行多次采样，对多次采样的转换结果进行低通滤波后得到ADC转换结果。ADC参考电压V_REF选取一个相对电压即可，例如电源电压或者其分压。ADC的输出作为校准模块的输入经校准后输出。

电路工作分为两个阶段完成。

第一阶段：所有的单元电流源1同时导通，进行一次ADC转换，得到的第一转换结果用D1来表示，D1可以表达为如下表达式：

D1＝(V_be1+V_os)*G_adc/V_REF (3)

其中V_be1为双极晶体管Q1在第一阶段的发射极电压；V_os为ADC的输入失调电压；G_adc则为ADC的增益，通常有一定的偏差；V_REF为ADC的参考电压。

第二阶段：所有的单元电流源1由DEM逻辑控制，轮流依次导通，并且每次只有一个单元电流源1导通。在一个ADC转换周期内，每个单元电流源1导通时间对应的采样次数相同。第二转换结果为D2，D2可以表达为如下表达式：

D2＝(V_be2+V_os)*G_adc/V_REF (4)

其中V_be2为双极晶体管Q1在第二阶段的发射极电压。

结果校正：两次输出的转换结果由校准模块通过如下运算得到

其中K为一个增益校准系数，调整M值可以使得分母部分没有温度系数。考虑到两个阶段使用的是同一个双极晶体管Q1双极晶体管Q1，不存在发射结面积失配问题，而DEM逻辑则使得单元电流源1之间的失调的影响变小。因此V_be1-V_be2可以认为接近理想值，即

同时，ADC的参考电压V_REF和增益G_adc对最后的输出没有影响，输入误差V_os的影响相对传统CMOS温度传感器则变得很小，通过电路技术减小其大小可以使得对最后温度输出影响被忽略。仅有V_be1本身的值会受到诸如工艺偏差，封装应力的影响而发生漂移。这个漂移可以通过在一个标准温度点下面测量后对M值进行微调，即可抵消掉此项漂移，从而得到精确的温度输出。

以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种CMOS温度传感器，其特征在于，包括一个双极晶体管、过采样的模数转换模块、校准模块和至少两路单元电流源，单元电流源的输出端通过切换模块耦合到双极晶体管的发射极，所述双极晶体管的集电极和基极与参考地连接，并连接到模数转换模块；所述模数转换模块连接有基准电压；

所述切换模块先将所有的单元电流源同时切换到双极晶体管；模数转换模块输出第一转换结果；然后在模数转换模块的一个采集周期内依次将单元电流源切换到双极晶体管,每次只有一个单元电流源导通，模数转换模块输出第二转换结果；所述校准模块综合第一转换结果和第二转换结果得出最终校正值。

2.如权利要求1所述的一种CMOS温度传感器，其特征在于，所述校准模块还包括产生不同单元电流源的偏置电流产生模块。

3.如权利要求1所述的一种CMOS温度传感器，其特征在于，所述切换模块包括与每个单元电流源输出端串接的开关单元，以及控制开关单元的动态单元匹配逻辑单元。

4.如权利要求1所述的一种CMOS温度传感器，其特征在于，所述第一转换结果D1的计算公式为：

D1＝(V_be1+V_os)*G_adc/V_REF

其中V_be1为双极晶体管在此次采样中的发射极电压；V_os为模数转换模块的输入失调电压；G_adc则为模数转换模块的增益；V_REF为模数转换模块的参考电压。

5.如权利要求4所述的一种CMOS温度传感器，其特征在于，所述第二转换结果D2的计算公式为：

D2＝(V_be2+V_os)*G_adc/V_REF

其中V_be2为双极晶体管在此次采样中的发射极电压。

6.如权利要求5所述的一种CMOS温度传感器，其特征在于，所述最终校正值T_out的计算公式为：

$T_{out}=\frac{K(D1-D2)}{D1+M(D1-D2)}=\frac{K(V_{be1}-V_{be2})}{V_{be1}+V_{os}+M(V_{be1}-V_{be2})}$

其中K为一个增益校准系数，调整M值可以使得分母部分没有温度系数。