CN112732002A - 温度校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片，包括：选择模块，分别获取同一环境温度下的温度检测信号及温度基准信号，并择一输出；模数转换模块，将选择模块输出的模拟信号转换为数字信号；数据存储模块，用于存储温度检测信号及温度基准信号的数字信号；计算模块，基于温度检测信号的数字信号确定电压值，基于温度基准信号的数字信号确定温度值，并根据电压值、温度值及温度传感器的温度系数得到温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程。本发明通过同一温度下温度检测信号的电压值、基准温度及温度系数确定温度‑电压曲线，并基于该温度‑电压曲线确定不同温度下温度检测信号对应的温度，提高了温度检测精度及准确性。

Description

温度校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种温度校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片。

背景技术

集成电路的发展日新月异，仅仅在其开发后半个世纪，集成电路变得无处不在，现代计算、交流、制造和交通***，包括互联网，全都依赖于集成电路的存在。集成电路主要由硅、锗、硒等半导体材料制备而成，而温度会影响这些半导体材料的性能，对集成电路进行温度检测以确保集成电路正常工作是非常必要的。

现有技术中通过温度检测电路实现对集成电路的温度检测，同一批次芯片的温度检测电路会采用同一温度-电压曲线进行检测。但是实际应用中，半导体器件会存在工艺误差，如图1所示，不同的芯片在相同的温度环境（23℃）下，其温度检测电路输出的电压值可能不同，即存在失调（垂直方向上的偏移Vos1或Vos2），且该失调电压不固定，该失调对温度检测精度和准确性产生影响。

因此，如何获取每颗芯片自己特有的温度-电压曲线，消除温度-电压曲线的工艺偏差，提高温度检测的精度和准确性，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校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种温度校准电路，所述温度校准电路至少包括：

选择模块，分别获取同一环境温度下的温度检测信号及温度基准信号，选择所述温度检测信号或所述温度基准信号输出；

模数转换模块，连接于所述选择模块的输出端，将所述选择模块输出的模拟信号转换为数字信号；

数据存储模块，连接于所述模数转换模块的输出端，用于存储所述温度检测信号及所述温度基准信号的数字信号；

计算模块，连接于所述数据存储模块的输出端，基于所述温度检测信号的数字信号确定电压值，基于所述温度基准信号的数字信号确定温度值，并根据所述电压值、所述温度值及温度传感器的温度系数得到温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程。

可选地，所述选择模块包括第一开关及第二开关；所述第一开关的第一端接收所述温度检测信号，所述第二开关的第一端接收所述温度基准信号，所述第一开关的第二端与所述第二开关的第二端相连并连接所述模数转换模块的输入端。

可选地，所述数据存储模块为掉电不可擦除存储模块

可选地，所述计算模块采用上位机实现。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种温度传感器，所述温度传感器至少包括：

温度检测电路，基于环境温度产生温度检测信号；

上述温度校准电路，连接于所述温度检测电路的输出端，基于同一环境温度下的所述温度检测信号、温度基准信号及所述温度检测电路的温度系数得到所述温度检测电路的输出电压与环境温度的直线方程，并基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号对应的温度。

可选地，所述温度检测电路包括温度检测模块及增益放大模块；所述温度检测模块产生两个负温度系数电压；所述增益放大模块连接于所述温度检测模块的输出端，用于放大所述两个负温度系数电压的差值得到所述温度检测信号，所述温度检测信号具有正温度系数。

更可选地，所述温度检测模块包括第一双极晶体管、第二双极晶体管、第一电流源及第二电流源；所述第一电流源与所述第一双极晶体管依次串联在电源和地之间，所述第二电流源与所述第二双极晶体管依次串联在电源和地之间，所述第一双极晶体管及所述第二双极晶体管的集电极和基极短接，所述第一双极晶体管及所述第二双极晶体管的基极-发射极电压为负温度系数电压。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种温度校准方法，所述温度校准方法至少包括：

1）获取同一环境温度下的温度检测信号及温度基准信号；

2）获取所述温度基准信号对应的温度值，并基于所述温度值、所述温度检测信号的电压值及温度传感器的温度系数得到温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程；

3）基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号对应的温度。

可选地，步骤1）包括依次获取同一环境温度下的温度检测信号及温度基准信号，并将所述温度检测信号及所述温度基准信号分别转换为数字信号后存储。

可选地，所述温度传感器的温度系数满足如下关系式：

；

其中，K为所述温度系数，N为作用于两个负温度系数电压的电流密度的比值，M为正温度系数电压的放大倍数，V_T为温度系数电压，T为温度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电子设备，所述电子设备至少包括：

温度检测装置，基于环境温度产生温度基准信号；

上述温度传感器，连接于所述温度检测装置的输出端，其中，温度检测电路基于环境温度产生温度检测信号，温度校准电路计算得到所述温度检测电路的输出电压与环境温度的直线方程，并基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号对应的温度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种芯片，所述芯片至少包括：

存储器，用于存储计算机执行指令；

处理器，用于运行所述计算机执行指令，执行上述温度校准方法。

可选地，所述存储器还用于存储所述温度检测信号及所述温度基准信号的数字信号。

如上所述，本发明的温度校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片，具有以下有益效果：

本发明的温度校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片通过同一温度下温度检测信号的电压值、基准温度及该温度传感器的温度系数确定该电路特有的温度-电压曲线，并基于该温度-电压曲线确定不同温度下温度检测信号对应的温度，提高了温度检测精度及准确性；同时本发明的校准电路结构简单，校准方法易操作，具有普适性。

附图说明

图1显示为现有技术中的温度检测存在失调的原理示意图。

图2显示为本发明的温度校准电路的结构示意图。

图3显示为本发明的温度传感器的结构示意图。

图4显示为本发明的电子设备的结构示意图。

图5显示为本发明的温度校准方法的原理示意图。

图6显示为本发明的芯片的结构示意图。

元件标号说明

1-温度传感器；11-温度校准电路；111-选择模块；112-模数转换模块；113-数据存储模块；114-计算模块；12-温度检测电路；121-温度检测模块；122-增益放大模块；2-温度检测装置；3-处理器；4-存储器。

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~图6。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。

实施例一

如图2所示，本实施例提供一种温度校准电路11，所述温度校准电路11包括：

选择模块111、模数转换模块112、数据存储模块113及计算模块114。

如图2所示，所述选择模块111分别获取同一环境温度下的温度检测信号Vtem及温度基准信号Vref，选择所述温度检测信号Vtem或所述温度基准信号Vref输出。

具体地，在本实施例中，所述选择模块111包括第一开关PH1及第二开关PH2。所述第一开关PH1的第一端接收所述温度检测信号Vtem，所述第二开关PH2的第一端接收所述温度基准信号Vref，所述第一开关PH1的第二端与所述第二开关PH2的第二端相连并连接所述模数转换模块12的输入端。其中，所述第一开关PH1与所述第二开关PH2不同时导通。

如图2所示，所述模数转换模块112连接于所述选择模块111的输出端，将所述选择模块111输出的模拟信号转换为数字信号。

具体地，在本实施例中，所述温度检测信号Vtem的数字信号为CODE1，所述温度基准信号Vref的数字信号为CODE2。可根据需要设定所述模数转换模块112的位数，在此不一一赘述，任意能实现模数转换的电路结构均适用于本发明。

如图2所示，所述数据存储模块113连接于所述模数转换模块112的输出端，用于存储所述温度检测信号Vtem及所述温度基准信号Vref的数字信号。

具体地，在本实施例中，所述数据存储模块113为掉电不可擦除存储模块，包括但不限于闪存（Flash）。作为示例，所述温度检测信号Vtem的数字信号CODE1存储于所述数据存储模块113的第一存储区域DATA1中，所述温度基准信号Vref的数字信号CODE2存储于所述数据存储模块113的第二存储区域DATA2中。

如图2所示，所述计算模块114连接于所述数据存储模块113的输出端，基于所述温度检测信号Vtem的数字信号CODE1确定电压值，基于所述温度基准信号Vref的数字信号CODE2确定温度值，并根据所述电压值、所述温度值及温度传感器的温度系数K得到所述温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程。

具体地，所述计算模块114从所述存储模块113中读取所述温度检测信号Vtem的数字信号CODE1，并确定电压值；从所述存储模块113中读取所述温度基准信号Vref的数字信号CODE2，并通过索引得到对应的温度值；所述计算模块114中内置有温度传感器的温度系数K，所述温度系数K由检测得到所述温度检测信号Vtem的电路的器件参数确定，当检测温度的电路确定后所述温度系数K即确定为固定值；基于所述电压值和温度值可在温度-电压坐标系中得到一个点，再以所述温度系数K为斜率，即可确定所述温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程。

具体地，在本实施例中，所述计算模块114采用上位机实现；在实际使用中，任意可基于电压值、温度值及温度系数得到温度-电压特性曲线的装置均适用，不以本实施例为限。

需要说明的是，该电压值与环境温度的直线方程为检测得到所述温度检测信号的电路特有的温度-电压特性曲线，利用该温度-电压特性曲线即可确定不同温度下温度检测信号对应的温度，温度检测精度及准确性大大提高。

实施例二

如图3所示，本实施例提供一种温度传感器1，所述温度传感器1包括：

温度检测电路12及温度校准电路11。

如图3所示，所述温度检测电路12基于环境温度产生温度检测信号Vtem。

具体地，在本实施例中，所述温度检测电路12包括温度检测模块121及增益放大模块122。所述温度检测模块121产生两个负温度系数电压。所述增益放大模块122连接于所述温度检测模块121的输出端，用于放大所述两个负温度系数电压的差值得到所述温度检测信号Vtem，所述温度检测信号Vtem具有正温度系数。

更具体地，所述温度检测模块121包括第一双极晶体管M1、第二双极晶体管M2、第一电流源I1及第二电流源I2，所述第一电流源I1与所述第一双极晶体管M1依次串联在电源VDD和地GND之间，所述第二电流源I2与所述第二双极晶体管M2依次串联在电源VDD和地GND之间，所述第一双极晶体管M1及所述第二双极晶体管M2的集电极和基极短接，所述第一双极晶体管M1及所述第二双极晶体管M2的基极-发射极电压分别为一负温度系数电压。其中，所述第一双极晶体管M1与所述第二双极晶体管M2的面积相同，所述第一电流源I1提供的电流大小为所述第二电流源I2提供的电流大小的N倍（分别为N*I及I），N为大于1的数。作为示例，所述第一双极晶体管M1及所述第二双极晶体管M2为PNP三极管。所述第一双极晶体管M1的集电极和基极接地GND，发射极经由所述第一电流源I1连接电源VDD，且所述第一双极晶体管M1的发射极输出第一基极-发射极电压Vbe1；所述第二双极晶体管M2的集电极和基极接地GND，发射极经由所述第二电流源I2连接电源电压VDD，且所述第二双极晶体管M2的发射极输出第二基极-发射极电压Vbe2。在实际使用中，所述第一双极晶体管M1及所述第二双极晶体管M2可采用NPN三极管，具体连接关系适应性调整，在此不一一赘述。

更具体地，所述增益放大模块122的正相输入端接收所述第一基极-发射极电压Vbe1，反相输入端接收所述第二基极-发射极电压Vbe2，计算得到两者的差值并放大输出。所述增益放大模块122的放大倍数设定为M，其中，M为大于等于1的数。

需要说明的是，任意可得到与温度有关的电压的电路结构均适用于本发明，所述与温度有关的电压包括但不限于正温度系数电压及负温度系数电压。

如图3所示，所述温度校准电路11连接于所述温度检测电路12的输出端，基于同一环境温度下的所述温度检测信号Vtem、温度基准信号Vref及所述温度检测电路12的温度系数K得到所述温度检测电路12的输出电压与环境温度的直线方程，并基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号Vtem对应的温度。

具体地，所述温度校准电路11获取所述温度检测电路12输出的温度检测信号Vtem，并结合温度基准信号Vref及温度系数K对所述温度检测电路12的温度-电压曲线进行校准；具体结构详见实施例一，在此不一一赘述。温度-电压曲线确定后，可在温度-电压曲线上找到所述温度检测电路12的输出电压对应的环境温度。

需要说明的是，所述温度传感器1通常作为一个功能模块电路集成在芯片内部，结构简单，所述温度检测电路12输出的温度检测信号Vtem随温度变化准确（即斜率K精确）；需要通过所述温度校准电路11的校准来实现对绝对温度的检测。

实施例三

如图4所示，本实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括：

温度传感器1及温度检测装置2。

如图4所示，所述温度检测装置2基于环境温度产生温度基准信号Vref。

具体地，所述温度检测装置2设置于所述温度传感器1外部，对环境温度进行检测，所述温度检测装置2检测到的信号作为温度基准信号Vref提供给所述温度传感器1。所述温度检测装置2可采用外部的温度检测芯片，对环境的绝对温度进行检测，包括但不限于高精度的商用温度检测芯片，在此不一一赘述。

如图4所示，所述温度传感器1连接于所述温度检测装置2的输出端，用于得到所述温度检测电路12的输出电压与环境温度的直线方程，并基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号Vtem对应的温度。

具体地，所述温度传感器1的结构及原理可参见实施例一、实施例二，在此不一一赘述。

实施例四

本实施例提供一种温度校准方法，所述温度校准方法包括：

1）获取同一环境温度下的温度检测信号Vtem及温度基准信号Vref。

2）获取所述温度基准信号Vref对应的温度值，并基于所述温度值、所述温度检测信号Vtem的电压值及温度传感器的温度系数K得到温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程。

3）基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号Vtem对应的温度。

如图4所示，作为示例，所述温度校准方法基于实施例三的电子设备实现，具体包括以下步骤：

1）断开所述第二开关PH2、闭合所述第一开关PH1，获取当前环境温度下同一环境温度下的温度检测信号Vtem，将所述温度检测信号Vtem转换为数字信号CODE1并存储。然后断开所述第一开关PH1、闭合所述第二开关PH2，获取同一环境温度下的温度基准信号Vref，将所述温度基准信号Vref转换为数字信号CODE2并存储。

需要说明的是，获取所述温度检测信号Vtem及所述温度基准信号Vref的步骤不存在必然的先后顺序，可调换顺序，也可同时执行。分步执行时通过开关分别选通两个信号进行模数转换，同时执行时需提供两路模数转换模块，在此不一一赘述。

2）读取所述温度检测信号Vtem的数字信号CODE1的码值，确定所述温度检测信号Vtem的电压值；读取所述温度基准信号Vref的数字信号CODE2的码值，通过索引所述温度检测装置2的规格参数可知所述温度基准信号Vref的数字信号CODE2对应一个温度值T，该温度值即为环境温度；获取所述温度传感器1的温度系数K。基于所述电压值和温度值可在温度-电压坐标系中得到一个点，再以所述温度系数K为斜率，即可确定所述温度检测信号的电压值V与环境温度TEMP的直线方程，如图5所示，该直线方程为当前温度传感器1特有的。

更具体地，所述温度传感器1的温度系数K基于所述温度检测电路12的器件参数确定。在本实施例中，所述第一电流源I1的电流满足：N*I=I_s1*e^[Vbe1/(n*V _T ^)]，所述第二电流源I2的电流满足：I=I_s2*e^[Vbe2/(n*V _T ^)]；其中，Is1为所述第一双极晶体管M1的饱和电流；Is2为所述第二双极晶体管M2的饱和电流；V_T为温度系数电压；N为产生正温度系数电压的两个双极晶体管的电流密度的比值（或者说是作用于两个负温度系数电压的电流密度的比值）；n为常数，对于一双极器件，n=1。由于所述第一双极晶体管M1与所述第二双极晶体管M2的面积相等，因此I_s1=I_s2，则Vbe1-Vbe2=V_T*lnN，Vtem=M*(Vbe1-Vbe2)=M*V_T*lnN，其中，M为所述增益放大模块122的放大倍数，V_T的温度系数为0.087mV/℃，则简化得到Vtem= K*T+V0；T为温度，V0为常数；K为温度系数，满足如下关系式：

；

假设M=10，N=10，则Vtem的温度系数（即斜率）K=2mV/℃。

需要说明的是，所述温度传感器1的温度系数可基于温度检测电路12的结构及参数确定，不以本实施例为限。

3）发送温度检测指令，闭合所述第一开关PH1，断开所述第二开关PH2，获取当前环境温度下的温度检测信号Vtem，并读取其数字信号，通过确定的直线方程求出对应的温度。

具体地，如图5所示，当所述温度检测信号Vtem等于V1时，可得到对应的温度T1；当所述温度检测信号Vtem等于V2时，可得到对应的温度T2。

实施例五

如图6所示，本实施例提供一种芯片，所述芯片包括：处理器3及存储器4。

如图6所示，所述存储器4用于存储计算机执行指令。

如图6所示，所述处理器3用于运行所述计算机执行指令，以执行实施例四的温度校准方法。

如图6所示，作为本发明的另一种实现方式，所述存储器4还用于存储所述温度检测信号Vtem及所述温度基准信号Vref的数字信号。

综上所述，本发明提供一种温度校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片，包括：选择模块，分别获取同一环境温度下的温度检测信号及温度基准信号，选择所述温度检测信号或所述温度基准信号输出；模数转换模块，连接于所述选择模块的输出端，将所述选择模块输出的模拟信号转换为数字信号；数据存储模块，连接于所述模数转换模块的输出端，用于存储所述温度检测信号及所述温度基准信号的数字信号；计算模块，连接于所述数据存储模块的输出端，基于所述温度检测信号的数字信号确定电压值，基于所述温度基准信号的数字信号确定温度值，并根据所述电压值、所述温度值及温度传感器的温度系数得到温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程。本发明的温度校准电路、校准方法、传感器、电子设备及芯片通过同一温度下温度检测信号的电压值、基准温度及该温度传感器的温度系数确定该电路特有的温度-电压曲线，并基于该温度-电压曲线确定不同温度下温度检测信号对应的温度，提高了温度检测精度及准确性；同时本发明的校准电路结构简单，校准方法易操作，具有普适性。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。

Claims (13)

1.一种温度校准电路，其特征在于，所述温度校准电路至少包括：

选择模块，分别获取同一环境温度下的温度检测信号及温度基准信号，选择所述温度检测信号或所述温度基准信号输出；

模数转换模块，连接于所述选择模块的输出端，将所述选择模块输出的模拟信号转换为数字信号；

数据存储模块，连接于所述模数转换模块的输出端，用于存储所述温度检测信号及所述温度基准信号的数字信号；

计算模块，连接于所述数据存储模块的输出端，基于所述温度检测信号的数字信号确定电压值，基于所述温度基准信号的数字信号确定温度值，并根据所述电压值、所述温度值及温度传感器的温度系数得到温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程。

2.根据权利要求1所述的温度校准电路，其特征在于：所述选择模块包括第一开关及第二开关；所述第一开关的第一端接收所述温度检测信号，所述第二开关的第一端接收所述温度基准信号，所述第一开关的第二端与所述第二开关的第二端相连并连接所述模数转换模块的输入端。

3.根据权利要求1所述的温度校准电路，其特征在于：所述数据存储模块为掉电不可擦除存储模块。

4.根据权利要求1所述的温度校准电路，其特征在于：所述计算模块采用上位机实现。

5.一种温度传感器，其特征在于，所述温度传感器至少包括：

温度检测电路，基于环境温度产生温度检测信号；

如权利要求1-4任意一项所述的温度校准电路，连接于所述温度检测电路的输出端，基于同一环境温度下的所述温度检测信号、温度基准信号及所述温度检测电路的温度系数得到所述温度检测电路的输出电压与环境温度的直线方程，并基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号对应的温度。

6.根据权利要求5所述的温度传感器，其特征在于：所述温度检测电路包括温度检测模块及增益放大模块；所述温度检测模块产生两个负温度系数电压；所述增益放大模块连接于所述温度检测模块的输出端，用于放大所述两个负温度系数电压的差值得到所述温度检测信号，所述温度检测信号具有正温度系数。

7.根据权利要求6所述的温度传感器，其特征在于：所述温度检测模块包括第一双极晶体管、第二双极晶体管、第一电流源及第二电流源；所述第一电流源与所述第一双极晶体管依次串联在电源和地之间，所述第二电流源与所述第二双极晶体管依次串联在电源和地之间，所述第一双极晶体管及所述第二双极晶体管的集电极和基极短接，所述第一双极晶体管及所述第二双极晶体管的基极-发射极电压为负温度系数电压。

8.一种温度校准方法，其特征在于，所述温度校准方法至少包括：

1）获取同一环境温度下的温度检测信号及温度基准信号；

2）获取所述温度基准信号对应的温度值，并基于所述温度值、所述温度检测信号的电压值及温度传感器的温度系数得到温度检测信号的电压值与环境温度的直线方程；

3）基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号对应的温度。

9.根据权利要求8所述的温度校准方法，其特征在于：步骤1）包括依次获取同一环境温度下的温度检测信号及温度基准信号，并将所述温度检测信号及所述温度基准信号分别转换为数字信号后存储。

10.根据权利要求8所述的温度校准方法，其特征在于：所述温度传感器的温度系数满足如下关系式：

；

其中，K为所述温度系数，N为作用于两个负温度系数电压的电流密度的比值，M为正温度系数电压的放大倍数，V_T为温度系数电压，T为温度。

11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备至少包括：

温度检测装置，基于环境温度产生温度基准信号；

如权利要求5-7任意一项所述的温度传感器，连接于所述温度检测装置的输出端，其中，温度检测电路基于环境温度产生温度检测信号，温度校准电路计算得到所述温度检测电路的输出电压与环境温度的直线方程，并基于所述直线方程获取与不同温度下的所述温度检测信号对应的温度。

12.一种芯片，其特征在于，所述芯片至少包括：

存储器，用于存储计算机执行指令；

处理器，用于运行所述计算机执行指令，执行如权利要求8-10任意一项所述的温度校准方法。

13.根据权利要求12所述的芯片，其特征在于：所述存储器还用于存储所述温度检测信号及所述温度基准信号的数字信号。

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