CN113125024B - 低噪声温度检测电路及方法 - Google Patents

低噪声温度检测电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低噪声温度检测电路及方法，包括：第一三极管，连接于第一PMOS管的漏极与地之间；第二三极管，连接于第一电阻第一端与地之间，第一电阻的第二端连接第二PMOS管的漏极；第一、第二PMOS管的源极连接电源电压；运算放大器，分别连接第一、第二PMOS管的漏极，输出端连接第一、第二PMOS管的栅极；第二电阻，一端连接第二PMOS管的漏极，另一端接地。基于第一、第二三极管及第一电阻产生正温度系数的电流，得到与绝对温度成正比的检测电压；调整第一、第二PMOS管的宽长比及第二电阻的阻值减小输出噪声。本发明在不需要复杂结构和额外面积的基础上，有效的降低了温度检测电路的低频噪声，适用于低噪声电路中。

Description

低噪声温度检测电路及方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种低噪声温度检测电路及方法。
背景技术
温度是表示物体冷热程度的物理量，人们的日常生活及工业生产无处不与温度有关。尤其是在集成电路领域，随着集成电路的不断发展，对于集成电路的可靠性要求越来越高，而温度是影响集成电路性能的重要参数，因此，我们需要对温度进行检测并做进一步控制，以提高集成电路的性能。
如图1所示，为现有技术中的一种典型的温度检测电路，基于PTAT(Proportionalto Absolute Temperature)电路实现，基于两个双极晶体管，工作在不相等的电流密度下，它们的基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比，进而得到正温度系数的电压。双极晶体管的基极-发射极电压VBE可作为检测温度变化的电压参考。
双极晶体管的基极-发射极电压VBE的输出噪声可能会显著的影响低噪声电路的性能。例如，如果高精度的A/D转换器采用该电压作为基准来与模拟信号进行比较，那么基准的噪声就直接加到输入端；即使在输出端与地间增加一个大电容，也无法抑制低频1/f噪声成分，这在低噪声应用中是个严重的困难。
因此，如何减小双极晶体管的基极-发射极电压VBE的输出噪声，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低噪声温度检测电路及方法，用于解决现有技术中双极晶体管的基极-发射极电压的输出噪声大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低噪声温度检测电路，所述低噪声温度检测电路至少包括：第一三极管、第二三极管、第一电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、运算放大器及第二电阻；
所述第一三极管连接于所述第一PMOS管的漏极与地之间，所述第一PMOS管的源极连接电源电压；
所述第二三极管连接于所述第一电阻的第一端与地之间，所述第一电阻的第二端连接所述第二PMOS管的漏极，所述第二PMOS管的源极连接所述电源电压；
所述运算放大器的第一输入端及第二输入端分别连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的漏极，输出端连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的栅极；
所述第二电阻的一端连接所述第二PMOS管的漏极，另一端接地；
其中，所述第一PMOS管与所述第二PMOS管的宽长比的比值为N，N为大于1的实数。
可选地，所述第一三极管及所述第二三极管为PNP三极管；所述第一三极管的基极与集电极接地，发射极连接所述第一PMOS管的漏极；所述第二三极管的基极与集电极接地，发射极连接所述第一电阻。
可选地，所述第一三极管及所述第二三极管为NPN三极管；所述第一三极管的发射极接地，基极与集电极连接所述第一PMOS管的漏极；所述第二三极管的发射极接地，基极与集电极连接所述第一电阻。
更可选地，所述第一三极管与所述第二三极管的发射结面积比为1：n，其中，n为大于1的实数。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低噪声温度检测方法，基于上述低噪声温度检测电路，所述低噪声温度检测方法至少包括：
基于第一三极管、第二三极管及第一电阻产生正温度系数的电流，进而得到与绝对温度成正比的检测电压；
调整所述第一PMOS管与所述第二PMOS管的宽长比的比值，以及所述第二电阻的阻值以减小输出噪声。
可选地，所述第一PMOS管对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,P1)2为所述第一PMOS管对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声，VBE为所述第一三极管的基极-发射极电压，P1为所述第一PMOS管，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文绝对温度，Gm1为所述第一PMOS管的跨导，Gm2为所述第二PMOS管的跨导，Cox为单位面积的栅氧化层电容，Wp1为所述第一PMOS管的沟道宽度，Lp1为所述第一PMOS管的沟道长度，f为频率，Rx1为所述第一三极管的等效阻抗，Rx2为所述第二三极管、所述第一电阻及所述第二电阻的等效阻抗。
可选地，所述第二PMOS管对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,P2)2为所述第二PMOS管对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声，VBE为所述第一三极管的基极-发射极电压，P2为所述第二PMOS管，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文绝对温度，Gm1为所述第一PMOS管的跨导，Gm2为所述第二PMOS管的跨导，Cox为单位面积的栅氧化层电容，Wp2为所述第二PMOS管的沟道宽度，Lp2为所述第二PMOS管的沟道长度，f为频率，Rx1为所述第一三极管的等效阻抗，Rx2为所述第二三极管、所述第一电阻及所述第二电阻的等效阻抗。
可选地，所述第一电阻对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,R1)2为所述第一电阻对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声，VBE为所述第一三极管的基极-发射极电压，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文绝对温度，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述第二电阻的阻值，Gm1为所述第一PMOS管的跨导，Gm2为所述第二PMOS管的跨导，Rx1为所述第一三极管的等效阻抗。
可选地，所述第二电阻对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,R2)2为所述第二电阻对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声，VBE为所述第一三极管的基极-发射极电压，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文绝对温度，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述第二电阻的阻值，RQ2为所述第二三极管的等效阻抗，Gm1为所述第一PMOS管的跨导，Gm2为所述第二PMOS管的跨导，Rx1为所述第一三极管的等效阻抗，Rx2为所述第二三极管、所述第一电阻及所述第二电阻的等效阻抗。
如上所述，本发明的低噪声温度检测电路及方法，具有以下有益效果：
本发明的低噪声温度检测电路及方法在不需要复杂结构和额外面积的基础上，有效的降低了温度检测电路的低频噪声，适用于低噪声电路中。
附图说明
图1显示为现有技术中的温度检测电路的结构示意图。
图2显示为本发明的低噪声温度检测电路的结构示意图。
图3显示为现有温度检测电路在1Hz～100KHz的噪声分析示意图。
图4显示为本发明的低噪声温度检测电路在1Hz～100KHz的噪声分析示意图。
元件标号说明
1 低噪声温度检测电路
11 运算放大器
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4。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，本发明提供一种低噪声温度检测电路1，所述低噪声温度检测电路1包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、运算放大器11及第二电阻R2。
如图2所示，所述第一三极管Q1连接于所述第一PMOS管P1的漏极与地之间，所述第二三极管Q2连接于所述第一电阻R1的第一端与地之间。
具体地，在本实施例中，所述第一三极管Q1及所述第二三极管Q2为PNP三极管；则所述第一三极管Q1的基极与集电极接地，发射极连接所述第一PMOS管P1的漏极；所述第二三极管Q2的基极与集电极接地，发射极连接所述第一电阻R1。在实际使用中，所述第一三极管Q1及所述第二三极管Q2可采用NPN三极管；则所述第一三极管Q1的发射极接地，基极与集电极连接所述第一PMOS管P1的漏极；所述第二三极管Q2的发射极接地，基极与集电极连接所述第一电阻R1。任意能实现温度检测的器件均适用于本发明，连接关系可基于具体器件做适应性调整，在此不一一赘述。
更具体地，所述第一三极管Q1与所述第二三极管Q2的发射结面积比为1：n，其中，n为大于1的实数。
如图2所示，所述第一PMOS管P1的源极连接电源电压，栅极连接所述运算放大器11的输出端；所述第一电阻R1的第二端连接所述第二PMOS管P2的漏极；所述第二PMOS管P2的源极连接所述电源电压，栅极连接所述运算放大器11的输出端。
具体地，所述第一PMOS管P1与所述第二PMOS管P2的宽长比的比值为N，N为大于1的实数，N的具体数值可根据实际需要进行设定，在此不一一限定。现有技术中的PMOS管的宽长比比值为1。
如图2所示，所述运算放大器11的第一输入端及第二输入端分别连接所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的漏极，输出端连接所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的栅极。
具体地，在本实施例中，所述运算放大器11的反相输入端连接所述PMOS管P1的漏极，正相输入端连接所述第二PMOS管P2的漏极，输出端连接所述第一PMOS管P1及所述第二PMOS管P2的栅极。所述运算放大器11的输入端极性与输入信号的对应关系可调整，通过增加反相器即可实现相同的逻辑，不以本实施例为限。
如图2所示，所述第二电阻R2的一端连接所述第二PMOS管P2的漏极，另一端接地。
本发明还提供一种低噪声温度检测方法，基于所述低噪声温度检测电路1，所述低噪声温度检测方法包括：
基于第一三极管Q1、第二三极管Q2及第一电阻R1产生正温度系数的电流，进而得到与绝对温度成正比的检测电压；
调整所述第一PMOS管P1与所述第二PMOS管P2的宽长比的比值，以及所述第二电阻R2的阻值以减小输出噪声。
具体地，所述第一电阻R1上的电压为所述第一三极管Q1与所述第二三极管Q2的差值，所述第一电阻R1上的电流具有正温度系数，再基于所述第二PMOS管P2得到与绝对温度成正比的电压。基于所述第一PMOS管P1、所述第二PMOS管P2及所述第二电阻R2调整输出噪声。
具体地，分别计算所述第一PMOS管P1、所述第二PMOS管P2、所述第一电阻R1及所述第二电阻R2对所述第一三极管Q1的基极-发射极电压VBE的贡献，其中，所述运算放大器11的架构与现有技术相同，因此，所述运算放大器11内部的噪声对输出噪声的影响与现有技术近似相同，在此不做计算。
所述第一PMOS管P1对所述第一三极管的基极-发射极电压VBE贡献的噪声满足如下关系式：
所述第二PMOS管P2对所述第一三极管的基极-发射极电压VBE贡献的噪声满足如下关系式：
所述第一电阻R1对所述第一三极管的基极-发射极电压VBE贡献的噪声满足如下关系式：
所述第二电阻R2对所述第一三极管的基极-发射极电压VBE贡献的噪声满足如下关系式：
所述运算放大器11输入端噪声对所述第一三极管Q1的基极-发射极电压VBE贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,P1)2为所述第一PMOS管P1对所述第一三极管Q1的基极-发射极电压VBE贡献的噪声；(VBE,P2)2为所述第二PMOS管P2对所述第一三极管的基极-发射极电压VBE贡献的噪声；(VBE,R1)2为所述第一电阻R1对所述第一三极管的基极-发射极电压VBE贡献的噪声；(VBE,R2)2为所述第二电阻R2对所述第一三极管的基极-发射极电压VBE贡献的噪声；k为玻尔兹曼常数；T为开尔文绝对温度；γ为工艺参数；Gm1为所述第一PMOS管P1的跨导；Gm2为所述第二PMOS管P2的跨导；Cox为单位面积的栅氧化层电容；Wp1为所述第一PMOS管P1的沟道宽度；Lp1为所述第一PMOS管P1的沟道长度；Wp2为所述第二PMOS管P2的沟道宽度；Lp2为所述第二PMOS管P2的沟道长度；f为频率；Rx1为所述第一三极管Q1的等效阻抗；Rx2为所述第二三极管Q2、所述第一电阻R1及所述第二电阻R2的等效阻抗，满足：R1为所述第一电阻R1的阻值；R2为所述第二电阻R2的阻值；RQ2为所述第二三极管Q2的等效阻抗；n为噪声；(Vn,tot)2为现有技术中的运算放大器输入端噪声对三极管的基极-发射极电压VBE贡献的噪声。
因为结构不同，所述第一PMOS管P1、所述第二PMOS管P2、所述第一电阻R1和所述第二电阻R2对所述第一三极管Q1的基极-发射极电压VBE贡献的噪声减小量不做特别对比。而所述运算放大器11的结构相同，因此对所述运算放大器11在本发明及现有技术中对噪声的贡献进行对比，在本实施例中，调节所述第二电阻R2的阻值，使得Rx2＝Rx1，由于则所述运算放大器11输入端噪声对所述第一三极管Q1的基极-发射极电压VBE贡献的噪声减小到原来的/>各器件对所述第一三极管Q1的基极-发射极电压VBE贡献的噪声叠加得到总输出噪声，由此可见，总输出噪声大大减小。
图3所示为图1现有温度检测电路在1Hz～100KHz的噪声分析，图4所示为本发明的低噪声温度检测电路1在1Hz～100KHz的噪声分析，由图可知，现有技术的总输出噪声为4.84104e-10，而本申请的总输出噪声为7.26133e-11，本发明的输出噪声大大减小，当本发明的器件参数进一步优化后可得到更低的输出噪声，在此不一一赘述。
综上所述，本发明提供一种低噪声温度检测电路及方法，包括：第一三极管、第二三极管、第一电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、运算放大器及第二电阻；所述第一三极管连接于所述第一PMOS管的漏极与地之间，所述第一PMOS管的源极连接电源电压；所述第二三极管连接于所述第一电阻的第一端与地之间，所述第一电阻的第二端连接所述第二PMOS管的漏极，所述第二PMOS管的源极连接所述电源电压；所述运算放大器的第一输入端及第二输入端分别连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的漏极，输出端连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的栅极；所述第二电阻的一端连接所述第二PMOS管的漏极，另一端接地；其中，所述第一PMOS管与所述第二PMOS管的宽长比的比值为N，N为大于1的实数。基于第一三极管、第二三极管及第一电阻产生正温度系数的电流，进而得到与绝对温度成正比的检测电压；调整所述第一PMOS管与所述第二PMOS管的宽长比的比值，以及所述第二电阻的阻值以减小输出噪声。本发明的低噪声温度检测电路及方法在不需要复杂结构和额外面积的基础上，有效的降低了温度检测电路的低频噪声，适用于低噪声电路中。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 (9)

1.一种低噪声温度检测电路，其特征在于，所述低噪声温度检测电路至少包括：第一三极管、第二三极管、第一电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、运算放大器及第二电阻；
所述第一三极管连接于所述第一PMOS管的漏极与地之间，所述第一PMOS管的源极连接电源电压；
所述第二三极管连接于所述第一电阻的第一端与地之间，所述第一电阻的第二端连接所述第二PMOS管的漏极，所述第二PMOS管的源极连接所述电源电压；
所述运算放大器的第一输入端及第二输入端分别连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的漏极，输出端连接所述第一PMOS管及所述第二PMOS管的栅极；
所述第二电阻的一端连接所述第二PMOS管的漏极，另一端接地，用于降低所述低噪声温度检测电路的低频噪声；
其中，所述第一PMOS管与所述第二PMOS管的宽长比的比值为N，N为大于1的实数。
2.根据权利要求1所述的低噪声温度检测电路，其特征在于：所述第一三极管及所述第二三极管为PNP三极管；所述第一三极管的基极与集电极接地，发射极连接所述第一PMOS管的漏极；所述第二三极管的基极与集电极接地，发射极连接所述第一电阻。
3.根据权利要求1所述的低噪声温度检测电路，其特征在于：所述第一三极管及所述第二三极管为NPN三极管；所述第一三极管的发射极接地，基极与集电极连接所述第一PMOS管的漏极；所述第二三极管的发射极接地，基极与集电极连接所述第一电阻。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的低噪声温度检测电路，其特征在于：所述第一三极管与所述第二三极管的发射结面积比为1：n，其中，n为大于1的实数。
5.一种低噪声温度检测方法，基于如权利要求1～4任意一项所述的低噪声温度检测电路，其特征在于，所述低噪声温度检测方法至少包括：
基于第一三极管、第二三极管及第一电阻产生正温度系数的电流，进而得到与绝对温度成正比的检测电压；
调整所述第一PMOS管与所述第二PMOS管的宽长比的比值，以及所述第二电阻的阻值以减小输出噪声。
6.根据权利要求5所述的低噪声温度检测方法，其特征在于：所述第一PMOS管对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,P1)2为所述第一PMOS管对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声，VBE为所述第一三极管的基极-发射极电压，P1为所述第一PMOS管，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文绝对温度，γ为工艺参数，Gm1为所述第一PMOS管的跨导，Gm2为所述第二PMOS管的跨导，Cox为单位面积的栅氧化层电容，Wp1为所述第一PMOS管的沟道宽度，Lp1为所述第一PMOS管的沟道长度，f为频率，Rx1为所述第一三极管的等效阻抗，Rx2为所述第二三极管、所述第一电阻及所述第二电阻的等效阻抗。
7.根据权利要求5所述的低噪声温度检测方法，其特征在于：所述第二PMOS管对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,P2)2为所述第二PMOS管对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声，VBE为所述第一三极管的基极-发射极电压，P2为所述第二PMOS管，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文绝对温度，γ为工艺参数，Gm1为所述第一PMOS管的跨导，Gm2为所述第二PMOS管的跨导，Cox为单位面积的栅氧化层电容，Wp2为所述第二PMOS管的沟道宽度，Lp2为所述第二PMOS管的沟道长度，f为频率，Rx1为所述第一三极管的等效阻抗，Rx2为所述第二三极管、所述第一电阻及所述第二电阻的等效阻抗。
8.根据权利要求5所述的低噪声温度检测方法，其特征在于：所述第一电阻对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,R1)2为所述第一电阻对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声，VBE为所述第一三极管的基极-发射极电压，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文绝对温度，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述第二电阻的阻值，Gm1为所述第一PMOS管的跨导，Gm2为所述第二PMOS管的跨导，Rx1为所述第一三极管的等效阻抗。
9.根据权利要求5所述的低噪声温度检测方法，其特征在于：所述第二电阻对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声满足如下关系式：
其中，(VBE,R2)2为所述第二电阻对所述第一三极管的基极-发射极电压贡献的噪声，VBE为所述第一三极管的基极-发射极电压，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文绝对温度，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述第二电阻的阻值，RQ2为所述第二三极管的等效阻抗，Gm1为所述第一PMOS管的跨导，Gm2为所述第二PMOS管的跨导，Rx1为所述第一三极管的等效阻抗，Rx2为所述第二三极管、所述第一电阻及所述第二电阻的等效阻抗。
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