一种温度传感器及温度检测方法
技术领域
本发明涉及传感器检测领域,特别是涉及一种温度传感器及温度检测方法。
背景技术
温度是一个基本的物理现象,它是生产过程中应用最普通、最重要的工艺参数,无论是工农业生产,还是科学研究和国防现代化,都离不开温度测量,因此,在各种传感器中,温度传感器是应用最广泛的一种。集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它是在PN结温度传感器的基础上发展起来的,具有体积小,稳定性高、价格低廉等特点。
目前,CMOS集成温度传感器的主要实现方式包括:基于MOS管的温度传感器以及基于CMOS工艺下的寄生双极型晶体管(BJT)的CMOS BJT温度传感器。常见的基于MOS管的温度特性实现温度传感器的方法有两种:1)利用处于亚阈值状态的MOS管的漏源电流具有与绝对温度成正比(PTAT)的特性来实现温度传感。由于MOS管在高温情况下,其自身的泄漏电流非常明显,使得高温下处于亚阈值状态下的MOS管的漏源电流所具有的PTAT特性受到严重影响,因此利用MOS管的亚阈值电流的PTAT特性的这种方法来实现的温度传感器的测温范围不能太宽,否则会严重影响其测温精度;2)利用强反型状态下MOS管中的载流子迁移率以及阈值电压依赖于温度这样的温度特性来实现温度传感器。这种方法的优点是温度精度很好,主要缺点在于受工艺波动的影响较大,在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作。
CMOS BJT温度传感器是利用CMOS工艺下的寄生双极型晶体管产生正比于温度的电压特性来实现温度的检测。相比于MOS温度传感器,该结构线性度较好且工艺稳定。如图1所示为常用COMS温度传感器1的电路结构,包括:PNP型三极管与电流源Is串联;缓冲器11的正向输入端连接所述PNP型三极管的发射极,所述缓冲器11的反向输入端与输出端相连,所述缓冲器11的输出端作为所述COMS温度传感器的电路结构1的输出端。输出电压Vout满足:
其温度敏感度仅仅由PN结的正向导通电压的温度系数决定,很难提高其温度敏感度。对高精度的温度传感器而言,如何将温度传感器的温度敏感度使用电阻比值、电流镜比值等方式设置,进而提高温度敏感度已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种温度传感器及温度检测方法,用于解决现有技术中温度敏感度低,难于提高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种温度传感器,所述温度传感器至少包括:
正温度系数电流产生模块,用于产生正温度系数的电流;
负温度系数电流产生模块,用于产生负温度系数的电流;
检测电压产生模块,接收所述正温度系数的电流及所述负温度系数的电流,并将所述正温度系数的电流与所述负温度系数的电流相减后得到检测电压,所述检测电压与待测温度成正比;
输出电压调整模块,连接所述检测电压产生模块,用于增大所述检测电压的摆幅,进而得到大摆幅的输出电压。
优选地,所述正温度系数电流产生模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一电阻、第二电阻、第一三极管、第二三极管及第一放大器;
所述第一PMOS管的源端连接电源电压、漏端依次经过所述第一电阻及所述第一三极管后接地;
所述第二PMOS管的源端连接电源电压、漏端依次经过所述第二电阻及所述第二三极管后接地;
所述第一放大器的输入端分别连接所述第一PMOS管的漏端及所述第二电阻与所述第二三极管的连接节点、输出端连接所述第一PMOS管、所述第二PMOS管及所述第三PMOS管的栅端;
所述第三PMOS管的源端连接电源电压、漏端作为所述正温度系数电流产生模块的输出端。
更优选地,所述第一三极管及所述第二三极管为PNP型三极管;所述第一三极管的发射极连接所述第一电阻,所述第一三极管的基极与所述第一三极管的集电极连接后接地;所述第二三极管的发射极连接所述第二电阻,所述第二三极管的基极与所述第二三极管的集电极连接后接地。
更优选地,所述第一三极管及所述第二三极管为NPN型三极管;所述第一三极管的集电极与基极连接所述第一电阻,所述第一三极管的发射极接地;所述第二三极管的集电极与基极连接所述第二电阻,所述第二三极管的发射极接地。
更优选地,所述负温度系数电流产生模块包括第二放大器、NMOS管及第三电阻;
所述第二放大器的输入端分别连接所述第一三极管与所述第一电阻的连接节点及所述NMOS管的源端、输出端连接所述NMOS管的栅端,所述NMOS管的源端经过所述第三电阻后接地,所述NMOS管的漏端作为所述负温度系数电流产生模块的输出端;
或,所述第二放大器的输入端分别连接所述第二三极管与所述第二电阻的连接节点及所述NMOS管的源端、输出端连接所述NMOS管的栅端,所述NMOS管的源端经过所述第三电阻后接地,所述NMOS管的漏端作为所述负温度系数电流产生模块的输出端。
优选地,所述输出电压调整模块包括第三放大器、第四电阻、第五电阻及第六电阻;所述第四电阻的一端连接所述检测电压、另一端连接所述第五电阻的一端,所述第五电阻的另一端连接所述第六电阻的一端、所述第六电阻的另一端接地,所述第三放大器的输入端分别连接一参考电压及所述第五电阻与所述第六电阻的连接节点,输出端连接于所述第四电阻及所述第五电阻之间。
更优选地,所述参考电压为与温度无关的基准电压。
更优选地,所述第六电阻为可变电阻,用于调节所述输出电压的绝对值。
优选地,所述温度传感器还包括连接于所述输出电压调整模块输出端的模数转换模块,所述模数转换模块为逐次逼近式模数转换模块。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明还提供一种温度检测方法,所述温度检测方法至少包括:
产生一正温度系数电流,所述正温度系数电流随待测温度的增加而增加;
产生一负温度系数电流,所述负温度系数电流随待测温度的增加而减小;
将所述正温度系数电流与所述负温度系数电流相减后得到检测电压,所述检测电压与所述待测温度成正比;
增大所述检测电压的摆幅,得到输出电压。
优选地,当所述正温度系数电流大于所述负温度系数电流时,从输出端吸收电流;当所述正温度系数电流小于所述负温度系数电流时,向输出端提供电流;进而增大输出电压的摆幅。
优选地,所述输出电压满足如下关系式:
其中,Vout为输出电压,VREF为参考电压,R5为第五电阻,R6为第六电阻,ΔVBE为正温度系数电压,R1为所述正温度系数电流流过的阻抗,N为所述正温度系数电流的放大倍数,VBE为负温度系数电压,R3为所述负温度系数电流流过的阻抗,R4为所述正温度系数电流与所述负温度系数电流的差值流过的阻抗。
更优选地,通过调节所述第六电阻的阻值以调节所述输出电压的绝对值,进而对温度进行校正。
更优选地,所述参考电压为与温度无关的基准电压。
优选地,所述输出电压随温度变化的敏感度满足如下关系:
其中,S为所述输出电压的敏感度,n为产生所述正温度系数电流的两个三极管的发射结面积比,k为波尔兹曼常数,R1为所述正温度系数电流流过的阻抗,q为电子的电荷量,N为所述正温度系数电流的放大倍数,R4为所述正温度系数电流与所述负温度系数电流的差值流过的阻抗,Ic为产生负温度系数的三极管的集电极电流,Is为产生负温度系数的三极管的反向饱和电流,R3为所述负温度系数电流流过的阻抗。
优选地,所述温度检测方法还包括:将所述输出电压转化为数字信号。
如上所述,本发明的温度传感器及温度检测方法,具有以下有益效果:
1、本发明的温度传感器及温度检测方法的输出电压的敏感度高。
2、本发明的温度传感器及温度检测方法可通过可调阻抗来调节输出电压的直流电平线性。
3、本发明的温度传感器及温度检测方法的输出电压随温度变化的摆幅大。
附图说明
图1显示为现有技术中的COMS温度传感器的结构示意图。
图2显示为本发明的温度传感器的结构示意图。
元件标号说明
1 COMS温度传感器
11 缓冲器
2 温度传感器
21 正温度系数电流产生模块
211 第一放大器
22 负温度系数电流产生模块
221 第二放大器
23 检测电压产生模块
24 输出电压调整模块
241 第三放大器
25 模数转换模块
S1~S5 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2所示,本发明提供一种温度传感器2,所述温度传感器2包括:
正温度系数电流产生模块21,负温度系数电流产生模块22,检测电压产生模块23、输出电压调整模块24及模数转换模块25。
如图2所示,所述正温度系数电流产生模块21用于产生正温度系数的电流I1。
具体地,如图2所示,所述正温度系数电流产生模块21包括第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一三极管Q1、第二三极管Q2及第一放大器211。所述第一PMOS管PM1的源端连接电源电压、漏端连接所述第一电阻R1,所述第一电阻R1的另一端连接所述第一三极管Q1。在本实施例中,所述第一三极管Q1为PNP型三极管,所述第一三极管Q1的发射极连接所述第一电阻R1,所述第一三极管Q1的基极与所述第一三极管Q1的集电极连接后接地。所述第二PMOS管PM2的源端连接电源电压、漏端连接所述第二电阻R2,所述第二电阻R2的另一端连接所述第二三极管Q2。在本实施例中,所述第二三极管Q2为PNP型三极管,所述第二三极管Q2的发射极连接所述第二电阻R2,所述第二三极管Q2的基极与所述第二三极管Q2的集电极连接后接地。在本实施例中,所述第一放大器211的反相输入端连接所述第一PMOS管PM1的漏端、正相输入端连接所述第二三极管Q2的发射极、输出端连接所述第一PMOS管PM1、所述第二PMOS管PM2及所述第三PMOS管PM3的栅端,所述第三PMOS管PM3的源端连接电源电压,所述第一PMOS管PM1、所述第二PMOS管PM2及所述第三PMOS管PM3构成电流镜,第三PMOS管PM3的漏端输出所述正温度系数电流I1。在实际使用中,所述第一三极管Q1及所述第二三极管Q2可以是NPN型三极管,其集电极与基极连接电阻、发射极接地,在此不一一赘述;所述第一放大器211的输入端的极性可更换,通过增加反相器等器件可实现相同的逻辑,不以本实施例的具体连接方式为限。
如图2所示,所述负温度系数电流产生模块22用于产生负温度系数的电流I2。
具体地,如图2所示,所述负温度系数电流产生模块22包括第二放大器221、NMOS管NM1及第三电阻R3。所述第二放大器221的正相输入端连接所述第二三极管Q2的发射极、反相输入端连接所述NMOS管NM1的源端、输出端连接所述NMOS管NM1的栅端。所述NMOS管NM1的源端经过所述第三电阻R3后接地,所述NMOS管NM1的漏端输出所述负温度系数电流I2。在实际使用中,负温度系数电压可由所述第一三极管Q1的发射极提供,即所述第二放大器221的输入端可分别连接所述第一三极管Q1的发射极及所述NMOS管NM1的源端,在以本实施例为限;所述第二放大器221的输入端的极性可更换,通过增加反相器等器件可实现相同的逻辑,不以本实施例的具体连接方式为限。
如图2所示,所述检测电压产生模块23接收所述正温度系数电流I1及所述负温度系数电流I2,并将所述正温度系数电流I1与所述负温度系数电流I2相减后得到检测电压,所述检测电压与待测温度成正比。
具体地,在本实施例中,所述正温度系数电流产生模块21及所述负温度系数电流产生模块22的输出端相连即可实现所述正温度系数电流I1与所述负温度系数电流I2的相减,所述第三PMOS管PM3及所述NMOS管NM1的漏端即输出与两者差值成正比的电压,因此,在本实施例中,未独立设置相减电路,可有效简化电路结构,节省成本。在实际使用中,可接收所述正温度系数电流I1与所述负温度系数电流I2后通过减法器等具有减法功能的电路以实现两者的相减,在此不一一赘述,本领域的技术人员在本发明揭示内容的基础上适应性调整本发明的具体实施方式以实现本发明的构思。
如图2所示,所述输出电压调整模块24连接所述检测电压产生模块23,用于增大所述检测电压的摆幅,进而得到大摆幅的输出电压。
具体地,如图2所示,所述输出电压调整模块24包括第三放大器241、第四电阻R4、第五电阻R5及第六电阻R6。所述第四电阻R4的一端连接所述检测电压、另一端连接所述第五电阻R5的一端,所述第五电阻R5的另一端连接所述第六电阻R6的一端、所述第六电阻R6的另一端接地。在本实施例中,所述第三放大器141的正向输入端连接所述第二PMOS管PM2的漏端(获得与温度无关的基准电压)、反相输入端连接于所述第五电阻R5与所述第六电阻R6之间、输出端连接于所述第四电阻R4及所述第五电阻R5之间。在实际使用中,所述第三放大器241可直接连接一参考电压产生电路以获得与温度无关的基准电压,不以本实施例为限,本实施例中基于所述正温度系数电流产生电路11中附带产生的与温度无关的基准电压作为参考电压,可有效简化电路结构,节省成本;所述第三放大器241的输入端的极性可更换,通过增加反相器等器件可实现相同的逻辑,不以本实施例的具体连接方式为限。
更具体地,在本实施例中,所述第六电阻R6为可变电阻,通过调节所述第六电阻R6的阻值可实现对所述输出电压Vout的绝对值的调节。
如图2所示,所述模数转换模块25连接于所述输出电压调整模块24的输出端,用于将与待测温度成正比的所述输出电压Vout转换为数字信号。
具体地,如图2所示,所述模数转换模块25为逐次逼近式模数转换模块,具体结构在此不一一赘述。
如图2所,本发明还提供一种温度检测方法,在本实施例中,所述温度检测方法基于所述温度传感器2实现,包括:
步骤S1:产生一正温度系数电流I1,所述正温度系数电流I1随待测温度的增加而增加。
具体地,所述第一放大器211通过虚短虚断的原理使所述第一PMOS管PM1的漏端电压VBE1和所述第二三极管Q2的发射极电压VBE2近似相等,则流过所述第一电阻R1的电流满足:
通过所述第一PMOS管PM1、所述第二PMOS管PM2及所述第三PMOS管PM3构成的电流镜,流过所述第一电阻R1的电流被镜像到所述第三PMOS管PM3的漏端,并得到所述正温度系数电流I1,所述正温度系数电流I1具有与绝对温度成正比(PTAT)的特性。通过设定所述第一PMOS管PM1、所述第二PMOS管PM2及所述第三PMOS管PM3的宽长比可调节镜像电流的放大倍数,在本实施例中,所述正温度系数电流I1满足如下关系:
其中,N为所述正温度系数电流I1的放大倍数,N为任意大于零的数。
步骤S2:产生一负温度系数电流I2,所述负温度系数电流I2随待测温度的增加而减小。
具体地,所述第二放大器221通过虚短虚断的原理使所述NMOS管NM1的源端电压和所述第二三极管Q2的发射极电压VBE2(或所述第一三极管Q1的发射极电压VBE1)近似相等,则流过所述第三电阻R3的电流满足:
所述NMOS管NM1的漏端输出所述负温度系数电流I2,所述负温度系数电流I2具有与绝对温度成反比(CTAT)的特性。
步骤S3:将所述正温度系数电流I1与所述负温度系数电流I2相减后得到检测电压,所述检测电压与所述待测温度成正比。
具体地,在本实施例中,所述第三PMOS管PM3与所述NMOS管NM1的漏端相连后,所述第三PMOS管PM3与所述NMOS管NM1的漏端输出电压即为所述正温度系数电流I1与所述负温度系数电流I2相减后得到检测电压,无需设置独立电路。
步骤S4:增大所述检测电压的摆幅,得到输出电压Vout。
具体地,所述第四电阻R4两端的电压满足如下关系,且所述第四电阻R4两端的电压与绝对温度成正比:
所述第三放大器241通过虚短虚断的原理使所述第六电阻R6与所述第五电阻R5之间的电压与参考电压VREF近似相等,在本实施例中,所述参考电压VREF为所述第二PMOS管PM2的漏端输出的与温度无关的基准电压;则所述第三放大器241输出端的电压满足:
因此所述输出电压满足如下关系式:
其中,ΔVBE为正温度系数电压,满足:ΔVBE=VBE2-VBE1;VBE为负温度系数电压,可选用本发明的第一三极管Q1或第二三极管Q2的发射极电压。
更具体地,所述输出电压Vout的直流电平可通过调节所述第六电阻R6的阻值来调整,进而实现对温度的校正。
具体地,当所述正温度系数电流I1大于所述负温度系数电流I2时,所述第三放大器241从所述温度传感器2的输出端吸收电流,
当所述正温度系数电流I1小于所述负温度系数电流I2时,所述第三放大器241向所述温度传感器2的输出端提供电流,
所述输出电压Vout的有效摆幅相较于现有技术得以大大提高。
具体地,所述正温度系数电流I1产生温度敏感度S1为
的电压;所述负温度系数电流I2产生温度敏感度S2为
的电压,则所述输出电压Vout随温度变化的敏感度满足如下关系:
其中,n为产生所述正温度系数电流的两个三极管的发射结面积比,k为波尔兹曼常数,q为电子的电荷量,N为所述正温度系数电流I1的放大倍数,Ic为产生负温度系数的三极管的集电极电流,Is为产生负温度系数的三极管的反向饱和电流。相较于现有技术的温度敏感度大大提升,且温度敏感度可通过电阻值、电流镜比值进行设定,灵活性更大。
步骤S5:将所述输出电压Vout转化为数字信号。
具体地,在本实施例中,采用逐次逼近的方法将所述输出电压Vout转化为数字信号,以利于后续数字电路处理信号。
本发明的高温度敏感度的CMOS温度传感器电路及检测温度的方法,产生正温度系数电流、负温度系数电流,两电流求差并通过阻抗转换输出为随温度变化的电压。电压的绝对大小可通过调节支路调节。本发明特别适用于集成电路中温度传感器的设计。
综上所述,本发明提供一种温度传感器及温度检测方法,包括:正温度系数电流产生模块,用于产生正温度系数的电流;负温度系数电流产生模块,用于产生负温度系数的电流;检测电压产生模块,接收所述正温度系数的电流及所述负温度系数的电流,并将所述正温度系数的电流与所述负温度系数的电流相减后得到检测电压,所述检测电压与待测温度成正比;输出电压调整模块,连接所述检测电压产生模块,用于增大所述检测电压的摆幅,进而得到大摆幅的输出电压。产生一正温度系数电流,所述正温度系数电流随待测温度的增加而增加;产生一负温度系数电流,所述负温度系数电流随待测温度的增加而减小;将所述正温度系数电流与所述负温度系数电流相减后得到检测电压,所述检测电压与所述待测温度成正比;增大所述检测电压的摆幅,得到输出电压。本发明的温度传感器及温度检测方法的输出电压的敏感度高;可通过可调阻抗来调节输出电压的直流电平线性;输出电压随温度变化的摆幅大;适用于CMOS片上***。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。