CN107543626A - 一种无需校准的高精度温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需校准的高精度温度传感器，其特征在于该高精度温度传感器由两部分组成，第一部分是产生两个精确的VBE电压和不随温度变化的参考电压VREF，第二部分是将VBE电压经过放大器放大，输出TSVIP和TSVIN送给ADC，再通过配置不同的TS_TM<1∶0>，ADC分别测量再求平均，更进一步消除误差因素；其中，第一部分电路包括有双极型晶体管斩波运放、电流镜电路、电阻分压电路和RC滤波电路；第二部分电路是由运放构成。本发明无需校准就可以实现±1℃温度测量，大大提高温度传感器的测量精度。

Description

一种无需校准的高精度温度传感器

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及片内温度传感器技术。

背景技术

随着集成电路工艺技术的提高、物联网时代的到来及便携式电子产品的空前需求，片上***不断向高频化、高集成度的发展，迅速加快了芯片温度的提升，温度变化对芯片性能有着很大影响。为了避免局部温度过高对芯片造成的损害，需要温度传感器以实时检测温度的变化。

温度传感器有片内和片外的两种实现方式，其中片外温度传感器具有更高精度和准确性的优点，但是需要板级器件来实现，并不是厂商所希望的低成本，而且在芯片工作状态下，片内和片外的温度差别较大，所以片外温度传感器是无法满足芯片内部温度检测需求的。基于这种情况下及节约成本的角度出发，实时检测芯片温度的片内温度传感器得到广泛的重视。

如专利申请201210552748.3公开了一种片上温度传感器，包括：基本电路单元，斩波单元，电阻微调单元，电熔丝阵列以及R-C滤波网络。采用斩波单元来消除片上温度传感器的非理想因素失调电压、失配和噪声；同时，进一步采用电阻微调单元实现精度的进一步提高，并以电熔丝阵列将电阻微调单元所需的控制位集成在芯片内，有效控制封装成本，并保证了器件的高集成度。此外，本发明提供的片上温度传感器还通过R-C滤波网络来实现输出电压的归一化，最终得到消除工艺影响、在不同芯片上具有一致性的输出结果的高精度片上温度传感器。

目前业界普遍采用双极型晶体管作为温度传感器的感温器件。通过双极型晶体管可以产生一个与温度成正比的PTAT电压和一个不随温度变化的基准电压Vref。将这两个信号送到模数转换器(ADC)中，就可以实现温度的数字读取，再通过总线将数字输入到DSP中，提供温度控制。温度传感器由前端核心温度提取电路和ADC组成，目前适合于温度传感器中应用的ADC技术已经较成熟，因此，温度传感器的精度主要限制于前端与温度相关的物理量的提取电路，归根到底取决于双极型晶体管的温度特性。现有技术的片内温度传感器电路原理图如图1所示。运放OP的失调电压在总误差中占最重要的部分，导致10℃的偏差。目前高精度的温度传感器主要是通过校正来实现很高的精度，但是校正会增加芯片的成本及测试成本。动态元件匹配技术通过动态的互换电流源求平均来减小误差，采用动态元件匹配技术来消除双极型晶体管的不匹配和基极-发射极电压的误差影响。动态元件匹配技术需要互换电流源，虽然可以减小误差，但是增加芯片面积及出数据时间慢过多占用ADC的资源。

发明内容

基于此，因此本发明的首要目地是提供一种无需校准的高精度温度传感器，该传感器无需校准就可以实现±1℃温度测量，大大提高温度传感器的测量精度。

本发明的另一个目地在于提供一种无需校准的高精度温度传感器，该传感器减小晶体管的不匹配误差，通过ADC测量四次再求平均消除运放的失调电压影响，从而进一步提高测量的准确性，同时能够节省芯片成本和避免过多占用ADC的资源。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种无需校准的高精度温度传感器，其特征在于该高精度温度传感器由两部分组成，第一部分是产生两个精确的VBE电压和不随温度变化的参考电压VREF，第二部分是将VBE电压经过放大器放大，输出TSVIP和TSVIN送给ADC，再通过配置不同的TS_TM<1∶0>，ADC分别测量再求平均，更进一步消除误差因素；其中，第一部分电路包括有双极型晶体管斩波运放、电流镜电路、电阻分压电路和RC滤波电路；所述双极型晶体管斩波运放包括有带斩波运放和双极型晶体管Q1、Q2，带斩波运放连接于双极型晶体管Q1和Q2，双极型晶体管Q1和Q2产生两个精确的VBE电压；所述电流镜电路连接于带斩波运放和双极型晶体管Q1和Q2，所述电阻分压电路接于带斩波运放，RC滤波电路则接于电阻分压电路；第二部分电路是由运放构成。

所述双极型晶体管Q1和Q2都是PNP型晶体管，且Q1和Q2的面积比设置为4∶32，Q1和Q2的基极和集电极都接到地GND，Q1的发射极连接带斩波运放的负端，Q2的发射极先连接电阻R3的一端，再由R3的另一端连接带斩波运放的正端。

所述电阻R1、R2构成电流镜电路。

所述电阻分压电路由电阻R5、R6构成，其中电阻R5和R6同接一起接于RC滤波电路。

进一步，所述带斩波运放的输出端连接到PMOS管M1的栅极，M1的源极接到电源VDD，M1的漏极连接电阻R4的一端D，R4的另一端和电阻R1、R2的一端同接在一起，R1的另一端连接到带斩波运放的负端，R2的另一端连接到带斩波运放的正端。

更进一步，电阻R5的一端连接到PMOS管M1的漏极，R5的另一端连接电阻R6的一端，R6的另一端连接到地GND，构成电阻分压电路。

更进一步，电阻R7和电容C1构成RC滤波电路，电阻R7的一端和电容C1一端连在一起输出VREF电压，R7的另一端连接到R5和R6同接一端，而C1的另一端接到地GND。

更进一步，电阻R8和电容C2构成的另一个RC滤波器，电阻R9和电容C3构成的再一个RC滤波器，双极型晶体管Q1的基极-发射极电压VBE1经过电阻R8和电容C2，输出电压TEMPVIP；晶体管Q2的基极-发射极电压VBE2同样地经过电阻R9和电容C3，输出电压TEMPVIN。

进一步，所述带斩波运放由折叠共源共栅运放和斩波单元组成，其中，斩波单元具有第一斩波单元、第二斩波单元和第三斩波单元，第一个斩波单元CH1放在运放输入端，实现对输入信号的调制；第二个斩波单元CH2放在实现双端变单端的电流镜处，通过动态切换电流镜MOS管可消除电流镜的噪声和失调；第三个斩波单元CH3放在运放电流源，实现对已调信号的解调，并对失调电压进行调制。

更进一步，第二部分电路包括有运放TS_OP1和TS_OP2，其中TEMPVIP接到运放TS_OP1的正端，由配置位TS_TM<1>控制，运放TS_OP1输出TSVIP；TEMPVIN接到运放TS_OP2的正端，由配置位TS_TM<0>控制，运放TS_OP2输出TSVIN；电阻R21、R22和R23串联在一起，电阻R21的一端连接到TSVIP，R21的另一端和电阻R22的一端一起同接到运放TS_OP1的负端，R22的另一端接到电阻R23的一端一起同接到运放TS_OP2的负端，R23的另一端接到TSVIN。

更进一步，第二部分电路还包括有电容C21和C22，其中，电容C21的一端接到TEMPVIP，另一端接地GND；电容C22的一端接到TEMPVIN，另一端接地GND。

本发明的有益效果是：

1、采用斩波技术消除运放的失调电压，最终只有几十个uV的输出误差，消除温度传感器误差源最重要的误差，从而大大提高温度传感器的测量精度。

2、双极型晶体管Q1和Q2面积比设置为4：32，减小晶体管的不匹配误差，且在layout采用共质心画法进一步减小误差。

3、通过两个电阻比来实现两路精确电流比，代替MOS管电流镜电路，由于电阻比的失配小于0.1％误差，本方案不需要采用动态匹配技术来实现精确的电流比，从而节省芯片成本和避免过多占用ADC的资源。

4、由于VBE的驱动能力不够，经过放大器放大再送给ADC测量，由于放大器本身还会存在着失调电压，通过配置位TS_TM<1∶0>分别配置00、01、10、11，ADC测量四次再求平均消除运放的失调电压影响，从而更进一步提高测量的准确性。

附图说明

图1是现有技术实施的传感器电路原理图。

图2是本发明所实施的电路图。

图3是本发明所实施第一部分产生两个精确的VBE电压和不随温度变化的参考电压VREF电路图。

图4是本发明所实施第一部分电路中带斩波运放的电路图。

图5是本发明所实施第二部分放大电路的结构原理图。

图6是本发明所实施第二部分电路中浮动电流源运放的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种无需校正的高精度温度传感器，其电路原理图如图2所示，图中所示，高精度温度传感器由两部分组成，第一部分电路产生两个精确的VBE电压和不随温度变化的参考电压VREF，第二部分电路将VBE电压经过放大器放大，输出TSVIP和TSVIN送给ADC，再通过配置不同的TS_TM<1∶0>，ADC分别测量再求平均，更进一步消除误差因素。

第一部分电路图如图3所示，包括双极型晶体管斩波运放、电流镜电路、两个精确的VBE电路、电阻分压电路和RC滤波电路组成；所述双极型晶体管斩波运放包括有带斩波运放和双极型晶体管Q1、Q2，带斩波运放连接于双极型晶体管Q1和Q2，双极型晶体管Q1和Q2产生两个精确的VBE电压。

双极型晶体管Q1和Q2都是采用PNP型晶体管，Q1和Q2的面积比设置为4：32，Q1和Q2的基极和集电极都接到地GND，Q1的发射极连接带斩波运放的负端B处，Q2的发射极先连接电阻R3的一端，再由R3的另一端连接带斩波运放的正端C处。带斩波运放的输出端连接到PMOS管M1的栅极，M1的源极接到电源VDD，M1的漏极连接电阻R4的一端D，R4的另一端和电阻R1、R2的一端同接在一起，R1的另一端连接到带斩波运放的负端，R2的另一端连接到带斩波运放的正端。电阻R5的一端连接到PMOS管M1的漏极，R5的另一端连接电阻R6的一端，R6的另一端连接到地GND，构成电阻分压电路，E点电压由D点电压分压而成。电阻R7和电容C1构成RC滤波电路，电阻R7的一端和电容C1一端连在一起输出VREF电压，R7的另一端连接到R5和R6同接一端，而C1的另一端接到地GND。双极型晶体管Q1的基极-发射极电压VBE1经过电阻R8和电容C2构成的RC滤波器，输出电压TEMPVIP；晶体管Q2的基极-发射极电压VBE2同样地经过电阻R9和电容C3构成的RC滤波器，输出电压TEMPVIN。

带斩波运放的电路图如图4所示，其由折叠共源共栅运放和斩波单元组成。第一个斩波单元CH1放在运放输入端(管M1、M2的栅极)，实现对输入信号的调制。第二个斩波单元CH2放在实现双端变单端的电流镜处(管M4、M5的漏极)，通过动态切换电流镜MOS管可消除电流镜的噪声和失调。第三个斩波单元CH3放在运放电流源(管M10、M11的漏极)，实现对已调信号的解调，并对失调电压进行调制。

第一部分电路产生的电压VBE1和VBE2的驱动能力不够，不能够直接送给ADC测量，需要经过放大电路将其放大，再送给ADC测量。

第二部分放大电路的结构原理图如图5所示，TEMPVIP接到运放TS_OP1的正端，由配置位TS_TM<1>控制，运放TS_OP1输出TSVIP。TEMPVIN接到运放TS_OP2的正端，由配置位TS_TM<0>控制，运放TS_OP2输出TSVIN。电阻R21、R22和R23串联在一起，电阻R21的一端连接到TSVIP，R21的另一端和电阻R22的一端一起同接到运放TS_OP1的负端，R22的另一端接到电阻R23的一端一起同接到运放TS_OP2的负端，R23的另一端接到TSVIN。电容C21的一端接到TEMPVIP，另一端接地GND。电容C22的一端接到TEMPVIN，另一端接地GND。

将VBE1和VBE2经过运放放大，运放本身又存在着失调电压影响测量精度，必须将运放的失调电压消除。运放TS_OP采用浮动电流源结构，其原理图如图6所示，运放TS_OP1、TS_OP2分别由配置位TS_TM<1∶0>控制。分别将TS_TM<1∶0>配置成00、01、10、11，ADC分别测量四次再算术求平均，从而消除了运放失调电压的影响，提高了测量精度。

本发明包括以下几个改进点：1、采用斩波技术消除运放的失调电压。2、两个双极型晶体管Q1和Q2，Q1和Q2面积比设置成4∶32，且在layout上采用共质心画法。3、电流镜电路通过两个电阻来实现，两个电阻的一端同接在一起，另外一端分别接到斩波运放的正负端，运放的“虚短”作用使两点的电压相等，从而电流镜的电流比例只由电阻的比例来决定，使得本方案并不需要动态元件匹配技术。4、双极型晶体管Q1和Q2的基极-发射极电压VBE1和VBE2经过一个RC滤波器作为温度传感器电压送到放大器放大，再通过两个配置位TS_TM<1∶0>分别配置00、01、10、11，ADC分别测量四次再求平均，从而提高测量精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无需校准的高精度温度传感器，其特征在于该高精度温度传感器由两部分组成，第一部分是产生两个精确的VBE电压和不随温度变化的参考电压VREF，第二部分是将VBE电压经过放大器放大，输出TSVIP和TSVIN送给ADC，再通过配置不同的TS_TM<1：0>，ADC分别测量再求平均，更进一步消除误差因素；其中，第一部分电路包括有双极型晶体管斩波运放、电流镜电路、电阻分压电路和RC滤波电路；所述双极型晶体管斩波运放包括有带斩波运放和双极型晶体管Q1、Q2，带斩波运放连接于双极型晶体管Q1和Q2，双极型晶体管Q1和Q2产生两个精确的VBE电压；所述电流镜电路连接于带斩波运放和双极型晶体管Q1和Q2，所述电阻分压电路接于带斩波运放，RC滤波电路则接于电阻分压电路；第二部分电路是由运放构成。

2.如权利要求1所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于所述双极型晶体管Q1和Q2都是PNP型晶体管，且Q1和Q2的面积比设置为4∶32，Q1和Q2的基极和集电极都接到地GND，Q1的发射极连接带斩波运放的负端，Q2的发射极先连接电阻R3的一端，再由R3的另一端连接带斩波运放的正端。

3.如权利要求1所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于所述电阻R1、R2构成电流镜电路；所述电阻分压电路由电阻R5、R6构成，其中电阻R5和R6同接一起接于RC滤波电路。

4.如权利要求3所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于所述带斩波运放的输出端连接到PMOS管M1的栅极，M1的源极接到电源VDD，M1的漏极连接电阻R4的一端D，R4的另一端和电阻R1、R2的一端同接在一起，R1的另一端连接到带斩波运放的负端，R2的另一端连接到带斩波运放的正端。

5.如权利要求4所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于电阻R5的一端连接到PMOS管M1的漏极，R5的另一端连接电阻R6的一端，R6的另一端连接到地GND，构成电阻分压电路。

6.如权利要求1所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于电阻R7和电容C1构成RC滤波电路，电阻R7的一端和电容C1一端连在一起输出VREF电压，R7的另一端连接到R5和R6同接一端，而C1的另一端接到地GND。

7.如权利要求6所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于电阻R8和电容C2构成的另一个RC滤波器，电阻R9和电容C3构成的再一个RC滤波器，双极型晶体管Q1的基极-发射极电压VBE1经过电阻R8和电容C2，输出电压TEMPVIP；晶体管Q2的基极-发射极电压VBE2同样地经过电阻R9和电容C3，输出电压TEMPVIN。

8.如权利要求1所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于所述带斩波运放由折叠共源共栅运放和斩波单元组成，其中，斩波单元具有第一斩波单元、第二斩波单元和第三斩波单元，第一个斩波单元CH1放在运放输入端，实现对输入信号的调制；第二个斩波单元CH2放在实现双端变单端的电流镜处，通过动态切换电流镜MOS管可消除电流镜的噪声和失调；第三个斩波单元CH3放在运放电流源，实现对已调信号的解调，并对失调电压进行调制。

9.如权利要求7所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于第二部分电路包括有运放TS_OP1和TS_OP2，其中TEMPVIP接到运放TS_OP1的正端，由配置位TS_TM<1>控制，运放TS_OP1输出TSVIP；TEMPVIN接到运放TS_OP2的正端，由配置位TS_TM<0>控制，运放TS_OP2输出TSVIN；电阻R21、R22和R23串联在一起，电阻R21的一端连接到TSVIP，R21的另一端和电阻R22的一端一起同接到运放TS_OP1的负端，R22的另一端接到电阻R23的一端一起同接到运放TS_OP2的负端，R23的另一端接到TSVIN。

10.如权利要求9所述的无需校准的高精度温度传感器，其特征在于第二部分电路还包括有电容C21和C22，其中，电容C21的一端接到TEMPVIP，另一端接地GND；电容C22的一端接到TEMPVIN，另一端接地GND。