CN107091695A - 超低功耗智能温度传感器前端电路及其匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低功耗智能温度传感器前端电路及其匹配方法，该前端电路包括偏置电路和双极型晶体管运放电路，其特点是还包括动态匹配模块和两组镜像电流源，每组镜像电流源包括P+1个用于输出一个单位恒定电流的单位电流源，所述动态匹配模块用于对上述每组镜像电流源进行分配。本发明以2*(P+1)个周期为一个循环，将超低功耗智能温度传感器前端电路的Pre‑Bias电路和Bipolar‑Core电路中的所有负载镜像电流源进行动态器件匹配，电路结构清晰，实施方便，极大地降低了因电流源失配所造成的ΔVBE误差，从而使传感器的输出温度误差得以几何级降低。

Description

超低功耗智能温度传感器前端电路及其匹配方法

技术领域

本发明涉及超低功耗智能温度传感器的前端电路，以及该前端电路的匹配方法，属于电力技术领域。

背景技术

在物联网科技高速发展的时代，传感器作为物联网产业的基石，已经成为人们生活中必不可少的一部分。温度传感器作为最早且最成熟的传感器类型，也在社会生产生活中扮演着越来越重的角色。据统计，平均每个家庭所使用的温度传感器多达数十个，无论是空调还是冰箱、手机还是电脑，无论电子产品还是电器产品，随处可以看到温度传感器应用的实例。

智能温度传感器作为最新一代温度传感器，具有高精度、数字输出、可编程等一系列优点。尽管在智能温度传感器电路中ADC会产生一定的误差，但是整体***误差和非线性因素的主要来源是前端电路，包括pre-bias电路(偏置电路)和bipolar-core电路(双极型晶体管运放电路)。只有前端电路的输出电压有足够的线性度，才能保证智能温度传感器的输出温度的误差足够小。

据发明人所了解，目前仅有在bipolar core电路中采用DEM技术的公开技术，但是，这种匹配方式输出电压线性度不高，传感器输出温度的误差仍然较大。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种电路结构清晰简单、可以提供更高的电压差线性度、大大减小整体输出温度误差的智能温度传感器前端电路以及该前端电路的匹配方法。

为了达到以上目的，本发明的超低功耗智能温度传感器前端电路包括偏置电路和双极型晶体管运放电路，其特点是：还包括动态匹配模块和两组镜像电流源，每组镜像电流源包括P+1个用于输出一个单位恒定电流的单位电流源；

所述动态匹配模块用于对上述每组镜像电流源进行分配，将两组镜像电流源分配成两个独立的单位电流源和两个包含P个单位电流源的分配电流源；

所述偏置电路包括串联有电阻Rb的第一双极型晶体管和与之并联的第二双极型晶体管，所述第二双极型晶体管的基极与第一双极型晶体管的基极连接；

所述双极型晶体管运放电路包括并联的第三双极型晶体管和第四双极型晶体管，所述第三双极型晶体管和第四双极型晶体管的基极连接；

第一双极型晶体管和第三双极型晶体管分别用于接收所述独立的单位电流源，所述第二双极型晶体管和第四双极型晶体管分别用于接收P个分配电流源，并分别输出相应的电压量。

进一步地，前述超低功耗智能温度传感器前端电路当中，还包括与所述动态匹配模块连接的时钟电路，用于产生第一时钟相信号以及与该第一时钟相电平相反的第二时钟相信号；而且，所述第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三双极型晶体管以及第四双极型晶体管优选PNP三极管。

更进一步地，前述超低功耗智能温度传感器前端电路当中，还包括连接在第一双极型晶体管支路和第二双极型晶体管支路间的斩波运放电路，所述第二双极型晶体管的基极还串联有电阻Rβ，所述电阻Rβ电阻是电阻Rb的阻值得1/5。

再优选地，前述超低功耗智能温度传感器前端电路当中，所述动态匹配模块采用单刀四执开关，每组镜像电流源包括6个单位电流源，且每个分配电流源是独立的单位电流源的5倍。

本发明还涉及上述超低功耗智能温度传感器前端电路的匹配方法，包括以下步骤：

第一步，将两组镜像电流源的2*(P+1)个单位电流源从1、2、3……2*(P+1)进行标号；

第二步，当所述动态匹配模块接收到该第一时钟相信号时，调整单刀四执开关，将1号单位电流源输入第一双极型晶体管支路；2～P+1号单位电流源输入第二双极型晶体管支路，P+2号单位电流源输入第三双极型晶体管支路，P+3～2*(P+1)号单位电流源输入第四双极型晶体管支路，根据公式计算双极型晶体管运放电路两支路的电压差；

第三步，当所述动态匹配模块接收到该第二时钟相信号时，调整单刀四执开关，将2*(P+1)号单位电流源输入第一双极型晶体管支路，1～p号单位电流源输入第二双极型晶体管支路，p+1号单位电流源输入第三双极型晶体管支路，p+2～2p+1号单位电流源输入至第四双极型晶体管支路，根据公式计算双极型晶体管运放电路两支路的电压差后重复第二步；

第四步，重复第三步直至完成12个单位电流源的信号输入周期；

第五步，模数转换积分器通过计算前端电路输出电压VBE和ΔVBE的比值，得到输出X，后端数字电路通过对X的校准拟合，得到实际的温度。

上述计算过程中，所述双极型晶体管运放电路的左右支路集电极电流比为ICR:ICL＝1:p，则左右支路集电极电压差ΔV_BE的关系满足：

电流比例为1:p，一共有p+1个电流源，每个电流源的电流值为：

I_i＝I(1+δ_i),1≤i≤p+1

其中δi是第i个电流源的误差，代表这个电流源与平均值I的失配。因此，误差和应为0，即：

则左右两侧电流比为：

因为电流源失配所造成的ΔVBE的误差公式表示为：

将误差做泰勒展开，忽略三阶及高阶项ΔVBE的平均误差变为：

本发明对超低功耗智能温度传感器的前端电路进行了创新，将前端电路中的偏置电路和双极型晶体管运放电路中的所有负载镜像电流源进行动态器件匹配，其有益效果体现在：

(1)本发明以2*(P+1)个周期为一个循环，分别在Pre-Bias电路和Bipolar-Core电路中将电流源进行动态匹配，电路结构清晰，实施方便，极大地降低了由于电流源失配所造成的ΔVBE的误差。

(2)相比于现在技术仅在bipolar core电路中采用DEM技术的前端电路，本发明在Pre-Bias电路中实现了DEM，并在Bipolar-Core电路中提供了2*(P+1)种工作状态，使失配在更多的选择中进行平均。

(3)本发明可以提供更多的选择可能，一方面可以降低因为前端电路的负载镜像电流源失配所造成的***误差，另一方面可以降低芯片间的输出误差，提供更高的匹配度，从而使传感器的输出温度误差得以几何级降低。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。其中，

图1是超低功耗智能温度传感器电路***结构图；

图2是本发明超低功耗智能温度传感器前端电路原理图；

图3是本发明动态匹配模块与前端电路元器件线路连接示意图。

具体实施方式

本发明揭示了一种超低功耗智能温度传感器的前端电路，如图1所示，超低功耗智能温度传感器电路***包括模数转换积分器、Pre-Bias电路(偏置电路)以及bipolar-core电路(双极型晶体管运放电路)，其中：偏置电路和双极型晶体管运放电路是前端电路。

根据本发明技术方案，如图2所示，前端电路当中还包括动态匹配模块和两组镜像电流源，每组镜像电流源包括6个用于输出一个单位恒定电流的单位电流源，动态匹配模块用于对上述每组镜像电流源进行分配，将两组镜像电流源分配成两个独立的单位电流源和两个包含5个单位电流源的分配电流源。

偏置电路包括串联有电阻Rb的第一双极型晶体管和与之并联的第二双极型晶体管，第二双极型晶体管的基极与第一双极型晶体管的基极连接，第二双极型晶体管的基极还串联有电阻Rβ。由于PNP管的电流放大倍数β有限，并且电流从发射极流入，所以PNP管的集电极电流IC的比值并不完全等于发射极电流的比值。新电路通过引入Rβ＝Rb/5电阻，可以消除β对IC的影响。

双极型晶体管运放电路包括并联的第三双极型晶体管和第四双极型晶体管；第三双极型晶体管和第四双极型晶体管的基极连接；第一双极型晶体管和第三双极型晶体管分别用于接收独立的单位电流源；第二双极型晶体管和第四双极型晶体管分别用于接收5个分配电流源；并分别输出相应的电压量。

还包括与动态匹配模块连接的时钟电路，用于产生第一时钟相信号以及与该第一时钟相电平相反的第二时钟相信号。同时，由于运放存在等效输入offset，两端电压并不能完全相等，通过引入斩波的方式可以有效消除运放的offset。所以，在第一双极型晶体管支路和第二双极型晶体管支路间连接了斩波运放电路。

本申请还涉及上述超低功耗智能温度传感器前端电路的匹配方法，如图3所示，动态匹配模块采用单刀四执开关，按以下步骤进行匹配：

第一步，将两组镜像电流源的12个单位电流源从1、2、3……12进行标号，每个单位电流源对应连接一个单刀四执开关，每个单刀四执开关的第一触点连接构成第一支路1，每个单刀四执开关的第二触点连接构成第二支路2，每个单刀四执开关的第三触点连接构成第三支路3，每个单刀四执开关的第四触点连接构成第四支路4。

第二步、当动态匹配模块接收到该第一时钟相信号时，第一个单刀四执开关的刀打向第一触点，将1号单位电流源输入第一双极型晶体管支路，第二至第六号单刀四执开关的刀对应打向第二触点，即将第2～6号单位电流源输入第二双极型晶体管支路，第七号单刀四执开关接通第三触点，将7号单位电流源输入第三双极型晶体管支路，第八号至十二号单刀四执开关的第四触点接通，即：将8～12号单位电流源输入第四双极型晶体管支路，并根据公式计算双极型晶体管运放电路两支路的电压差。

第三步，通过模数转换积分器计算VBE和ΔVBE的比值；

第四步，当动态匹配模块接收到该第二时钟相信号时，将第十二单刀四执开关的第一触点接通，将12号单位电流源连接到1号单位电流源的位置即第一双极型晶体管支路，1～11号单位电流源依次递进后移，也就是将第一到第四单刀四执开关的第二触点连通，把1-5号单位电流源连通至第二双极型晶体管支路，调整第六单刀四执开关，接通第三触点，将6号单位电流源输入第三双极型晶体管支路；同样，将第七号单刀四执开关的第四触点连通，将7号单位电流源输入第四双极型晶体管支路。以上步骤完成之后，根据公式计算双极型晶体管运放电路两支路的电压差，然后重复第三步。

第五步，重复第四步和第三步直至完成12个单位电流源的信号输入周期。

在理想情况下，双极性晶体管的基极-发射极电压(V_BE)与集电极电流(I_C)的关系满足：

其中，k为玻尔兹曼常数，q为单位电荷量，I_S为饱和电流。假设左右支路集电极电流比为I_CR:I_CL＝1:p，则左右支路集电极电压差(ΔV_BE)的关系满足：

电流比例为1:5，一共有6个电流源，每个电流源的电流值为：

I_i＝I(1+δ_i),1≤i≤6

其中δi是第i个电流源的误差，代表这个电流源与平均值I的失配，因此，误差和应为0，即：

如果取出任意一个电流源I_j偏置左边支路，而其余电流源偏置右边支路，则左右两侧电流比为：

所以因为电流源失配所造成的ΔV_BE的误差可以表示为：

如果在Bipolar-core电路中采用DEM技术，将误差做泰勒展开，忽略三阶及高阶项ΔV_BE的平均误差变为：

由此可见，带有DEM技术的电流源，比没有DEM技术的电流源，误差显著降低。假设(Δp/5)＝2％，带有DEM技术后的误差将只有0.2‰。

本发明的基本原理为：采用SMIC 0.18μm CMOS工艺，电源电压为1.8V、时钟为16KHz，温度测试范围从-40℃到125℃。前端电路产生两个与温度负相关(CTAT)的电压VBEL和VBER，而VBEL和VBER的差值ΔVBE是一个与温度正相关(PTAT)的电压。Zoom ADC通过计算VBE和ΔVBE的比值，得到实际输出X＝VBE/ΔVBE。输出值X与温度成反比，通过多点校准和数字信号处理技术，可以得到X与实际温度T的关系。如此，可以计算出芯片工作时的实际温度。

Pre-bias电路利用双极性晶体管的I-V特性，采用1:5的电流比例偏置两个相同的双极性晶体管。采用运放形式的负反馈结构，保证左右两条支路的电压相等，为消除运放的失配，保证左右支路电压更好的相等，***采用了一组斩波开关电路，将失调和低频噪声调制到高频。如此，可以得到一组高线性度的PTAT电流。Bipolar-core电路通过镜像PTAT电流，同样采用1:5的电流比偏置两个相同的双极性晶体管，产生两个CTAT的电压VBEL和VBER。

以上通过具体实例对本发明技术方案进行了详细说明，除上述实施例外，本发明还可以有其他多种实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.超低功耗智能温度传感器前端电路，包括偏置电路和双极型晶体管运放电路，其特征在于：还包括动态匹配模块和两组镜像电流源，每组镜像电流源包括P+1个用于输出一个单位恒定电流的单位电流源；

所述动态匹配模块用于对上述每组镜像电流源进行分配，将两组镜像电流源分配成两个独立的单位电流源和两个包含P个单位电流源的分配电流源；

所述偏置电路包括串联有电阻Rb的第一双极型晶体管和与之并联的第二双极型晶体管，所述第二双极型晶体管的基极与第一双极型晶体管的基极连接；

所述双极型晶体管运放电路包括并联的第三双极型晶体管和第四双极型晶体管，所述第三双极型晶体管和第四双极型晶体管的基极连接；

所述第一双极型晶体管和第三双极型晶体管分别用于接收所述独立的单位电流源，所述第二双极型晶体管和第四双极型晶体管分别用于接收P个分配电流源，并分别输出相应的电压量。

2.根据权利要求1所述的超低功耗智能温度传感器前端电路，其特征在于：还包括与所述动态匹配模块连接的时钟电路，用于产生第一时钟相信号以及与该第一时钟相电平相反的第二时钟相信号。

3.根据权利要求2所述的超低功耗智能温度传感器前端电路，其特征在于：还包括连接在第一双极型晶体管支路和第二双极型晶体管支路间的斩波运放电路。

4.根据权利要求3所述的超低功耗智能温度传感器前端电路，其特征在于：所述第二双极型晶体管的基极还串联有电阻Rβ，所述电阻Rβ的阻值是电阻Rb的1/P。

5.根据权利要求1所述的超低功耗智能温度传感器前端电路，其特征在于：所述第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三双极型晶体管以及第四双极型晶体管均采用PNP三极管。

6.权利要求1至5任意一项所述的超低功耗智能温度传感器前端电路，其特征在于：所述动态匹配模块采用单刀四执开关。

7.权利要求6所述超低功耗智能温度传感器前端电路的匹配方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将两组镜像电流源的2*(P+1)个单位电流源从1、2、3……2*(P+1)进行标号；

第二步，当所述动态匹配模块接收到该第一时钟相信号时，调整单刀四执开关，将1号单位电流源输入第一双极型晶体管支路，2～P+1号单位电流源输入第二双极型晶体管支路，P+2号单位电流源输入第三双极型晶体管支路，P+3～2*(P+1)号单位电流源输入第四双极型晶体管支路，计算双极型晶体管运放电路两支路的电压差；

第三步，当所述动态匹配模块接收到该第二时钟相信号时，调整单刀四执开关，将2*(P+1)号单位电流源输入第一双极型晶体管支路，1～p号单位电流源输入第二双极型晶体管支路，p+1号单位电流源输入第三双极型晶体管支路，p+2～2p+1号单位电流源输入至第四双极型晶体管支路，计算双极型晶体管运放电路两支路的电压差后重复第二步；

第四步，重复第三步直至完成12个单位电流源的信号输入周期；

第五步，模数转换积分器通过计算前端电路输出电压VBE和ΔVBE的比值，得到输出X，后端数字电路通过对X的校准拟合，得到实际温度。