CN113566997A - 一种温度感应电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种温度感应电路，包括有偏置电流单元、启动开关单元、负温度系数产生单元、正温度系数产生单元和整合输出单元，利用正温度系数产生单元和负温度系数产生单元中的三极管的正负温度特性分别得到一路正温度特性与一路负温度特性的电流，正温度系数电流减去负温度系数电流或负温度系数电流减去正温度系数电流得到放大输出电压范围，且得到的温度系数曲线不受MOS管、电阻等工艺偏差的影响，更加精确稳定，电路简单面积小易于实现。

Description

一种温度感应电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种温度感应电路。
背景技术
在相关技术中，芯片集成温度感应电路如图1所示，需要芯片输出具有一定正温度系数的模拟电压信号反馈给信号处理器，处理器根据模拟电压信号判断芯片温度，从而在过温时控制输入信号的关断。处理器接收到的温度感应电压变化范围有一定的要求，但是单靠工艺提供的具有正温度系数的电阻温度变化系数较小。且电阻本身也存在非常大的工艺偏差，实际做出来随温度变化的电压范围也会存在非常大的偏差造成信号处理器对温度的误判断。
发明内容
本发明提供一种温度感应电路，解决相关技术中温度感应电路受电阻工艺偏差的影响及温度变化系数小造成的温度检测不准确的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种温度感应电路，所述温度感应电路包括偏置电流单元、负温度系数产生单元、正温度系数产生单元和整合输出单元；
所述偏置电流单元将电流偏置给所述负温度系数产生单元和正温度系数产生单元；所述负温度系数产生单元根据偏置电流产生一路负温度系数电流；所述正温度系数产生单元根据所述偏置电流产生一路正温度系数电流；所述整合输出单元将所述正温度系数电流、所述负温度系数电流相减得到温度系数电流变化范围增加的输出电压。
作为优选地，所述温度感应电路还包括：启动开关单元，所述启动开关单元在输入电压高于预设电压阈值时导通。
作为优选地，所述偏置电流单元包括电流源、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管；所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和所述第四PMOS管的源极连接于外部低压电源，所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极连接于所述第一PMOS管的漏极并接到所述电流源一端，所述电流源另一端接地，所述第二PMOS管、第三PMOS管和所述第四PMOS管的漏极连接于后级电路。
作为优选地，所述负温度系数产生单元包括第一三极管和第一电阻；所述第一三极管的集电极连接于所述第二PMOS管的漏极、基极连接于所述第一电阻输入端。
作为优选地，所述正温度系数产生单元包括第二三极管、第三三极管、第四三极管和第二电阻、第三电阻；所述第二三极管的集电极、基极和所述第三三极管的基极连接于所述第三PMOS管的漏极，所述第二三极管的发射极和所述第四三极管的发射极连接于所述第二电阻的输入端，所述第三三极管的集电极连接于所述第四PMOS管的漏极，所述第三三极管的发射极连接于所述第三电阻的输入端；所述第四三极管的基极连接于所述第三三极管的集电极。
作为优选地，所述启动开关单元包括第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管和第二NMOS管的栅极连接于所述第二PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的源极连接于所述第一电阻的输入端，所述第二NMOS管的源极连接于所述第四三极管的集电极。
作为优选地，所述整合输出单包括第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第四电阻；所述第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管的源极连接于所述低压电源，所述第五PMOS管、第六PMOS管的栅极连接于所述第五PMOS管的漏极并接入所述第二NMOS管的漏极，所述第七PMOS管、第八PMOS管的栅极连接于所述第七PMOS管的漏极并接入所述第一NMOS管的漏极，所述第六PMOS管的漏极接入所述第四电阻的输入端并连接于所述第三NMOS管的漏极，所述第八PMOS管的漏极接入所述第四NMOS管的漏极并连接于所述第三NMOS管和第四NMOS管的栅极。
作为优选地，所述第一三极管的发射极，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻的输出端，所述第三NMOS管、第四NMOS管的源极连接并接地。
作为优选地，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻中电阻单体的类型和尺寸相同，以及所述电阻单体的个数不同。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明设置有偏置电流单元、负温度系数产生单元、正温度系数产生单元和整合输出单元，其中，利用正温度系数产生单元和负温度系数产生单元中的三极管的正负温度特性分别得到一路正温度特性与一路负温度特性的电流，正温度系数电流减去负温度系数电流放大输出电压范围，且得到的温度系数曲线不受MOS管、电阻等工艺偏差的影响，更加精确稳定，电路简单面积小易于实现。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明现有技术中芯片集成温度感应电路示意图；
图2为本发明温度感应电路结构拓扑图；
图3为本发明负温度系数温度感应电路结构拓扑图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图2所示，本发明提供一种温度感应电路，包括偏置电流单元①、负温度系数产生单元③、正温度系数产生单元④和整合输出单元⑤。
温度感应电路通过偏置电流单元①将电流偏置给负温度系数产生单元③和正温度系数产生单元④，由负温度系数产生单元③产生一路负温度系数电流及由正温度系数产生单元④产生一路正温度系数电流，整合输出单元⑤将正、负温度系数电流相减得到温度系数电流变化范围更大的输出电压。
其中，温度感应电路还包括：启动开关单元②，启动开关单元②在输入电压高于预设电压阈值时导通；用于防止各元器件处于非正常工作状态。
在一些实施方式中，偏置电流单元①包括电流源Ib、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4，其中，第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的源极连接于外部低压电源VCC；由电流源Ib产生电流源，第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的栅极连接于第一PMOS管PM1的漏极并接电流源Ib一端，电流源Ib另一端接地VSS；第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的漏极连接于后级电路；第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4组成的电流镜将电流源Ib偏置给后级电路。
在一些实施方式中，负温度系数产生单元③包括第一三极管Q1和第一电阻R1，第一三极管Q1的集电极连接于第二PMOS管PM2的漏极，基极连接于第一电阻R1输入端，利用三极管的VBE为负温度系数，在第一电阻R1上产生一路负温度系数电流。
在一些实施方式中，正温度系数产生单元④包括第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第二电阻R2和第三电阻R3，第二三极管Q2的集电极、基极和第三三极管Q3的基极连接于第三PMOS管PM3的漏极；第二三极管Q2的发射极和第四三极管Q4的发射极连接于第二电阻R2的输入端；第三三极管Q3的集电极连接于第四PMOS管PM4的漏极，第三三极管Q3的发射极和连接于第三电阻R3的输入端,所述第四三极管Q4的基极连接于所述第三三极管Q3的集电极。利用第二三极管Q2和第三三极管Q3的VBE差值△VBE为正温度系数，在第二电阻R2上产生一路正温度系数电流，第四三极管Q4提供反馈通路，钳住了第三三极管Q3集电极电位，保证Q2与第三三极管Q3的集电极电压一致，使第三PMOS管PM3与第四PMOS管PM4能正常工作在饱和区，两路电流值相等。
在一些实施方式中，启动开关单元②包括第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2，第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的栅极连接于第二PMOS管PM2的漏极，第一NMOS管NM1的源极连接于第一电阻R1的输入端，第二NMOS管NM2的源极连接于第四三极管Q4的集电极。第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2组成简单的启动电路，只有当电源上升至一定程度的时候才能打开第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2，使电流流过，防止各管工作在不正常的状态。
在一些实施方式中，整合输出单元⑤包括第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第四电阻R4，第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8的源极连接于低压电源，第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6的栅极连接于第五PMOS管PM5的漏极并接入第二NMOS管NM2的漏极，第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8的栅极连接于第七PMOS管PM7的漏极并接入第一NMOS管NM1的漏极，第六PMOS管PM6的漏极接入第四电阻R4的输入端并连接于第三NMOS管NM3的漏极，第八PMOS管PM8的漏极接入第四NMOS管NM4的漏极并连接于第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的栅极。其中，第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6作为电流镜将正温度系数电流IPTC比例偏置到第四电阻R4上，第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8和第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4作为电流镜比例偏置负温度系数电流INTC抽走一部分第四电阻R4上的电流，正负温度系数电流相减在第四电阻R4上得到了正温度系数电流变化范围更大的输出电压。
本发明提出的的温度感应电路中，上述第一三极管Q1的发射极，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4的输出端，第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4的源极连接并接地，第一电阻R1～第四电阻R4中电阻单体的类型和尺寸相同，仅接入电路数量不同，电流镜组同理，在保证匹配的情况下，它们的温度偏差与工艺偏差分别都是同步的，偏移量相互抵消不会对输出电压的结果造成影响。
需要说明的是，上述温度系数感应电路可分为正温度系数温度感应电路和负温度系数温度感应电路。
实施例1
温度系数感应电路为正温度感应电路，其中电路结构为上述电路拓扑结构。
负温度系数电流INTC：
不同双极晶体管的基极-发射极电压具有负温度特性，施加在第一电阻R1上可得负温度特性电流INTC如下式：
Figure BDA0003179690740000061
正温度系数电流IPTC：
两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比，在图中第二三极管Q2与第三三极管Q3的个数比为n：1，VBE3与VBE2的差值△VBE＝VTlnn，其中热电压VT＝kT/q，具有正的温度系数。
由于第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3个数比例为1:1，偏置电流使IC2＝IC3，且第二电阻R2＝第三电阻R3。而第二三极管Q2与第三三极管Q3基极电压VB一致但个数n不同，发射极E点产生电压差值，此差值在第二电阻R2上的电流由流经第五PMOS管PM5、第二NMOS管NM2、第四三极管Q4的电流IPTC补充，可有以下推导：
Figure BDA0003179690740000062
因此可看作△VBE施加在第二电阻R2上得到了正温度特性电流IPTC。
整合电流：
IPTC通过第五PMOS管PM5与第六PMOS管PM6电流镜组比例偏置一正温度系数电流流入第四电阻R4，INTC通过第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8和第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4电流镜组比例偏置从第四电阻R4上抽走负温度系数电流，正温度系数电流减去负温度系数电流，第四电阻R4上流过的是一温度系数更高的正温度系数电流。
设第五PMOS管PM5与第六PMOS管PM6电流镜组的电流比值为1：n2，第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8和第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4电流镜组的电流比值(第七PMOS管PM7与第三NMOS管NM3上流过电流的比值)为1:n1。可得：
VOUT＝(n2*IPTC-n1*INTC)*R4
代入INTC与IPTC公式可得：
Figure BDA0003179690740000071
其中△VBE呈正温度系数，VBE1呈负温度系数，第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4为个数不同单体尺寸类型都相同的电阻，相除结果仅为它们之间的个数比。由此看出VOUT只受△VBE与VBE1的温度系数影响，不受电路中其他器件的温度变化系数与工艺偏差的干扰，且VOUT可以通过修改电阻个数比与电流镜比值来调整随温度变化的输出电压范围。
其中施加到第四电阻R4上的正温度系数电流必比抽走的负温度系数电流要大，否则无法得出具有宽温度系数变化范围的温度感应电压VOUT，且VOUT电压会被拉到地。
实施例2
温度系数感应电路为负温度系数温度感应电路，其中电路结构与正温度系数温度感应电路中在整合单元上略有不同；如图3所示的负温度系数感应电路结构拓扑图，第六PMOS管PM6的漏极连接于第三NMOS管NM3的漏极和第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的栅极，第八PMOS管PM8的漏极连接于所述第四NMOS管NM4的漏极和第四电阻R4的输入端。
负温度系数温度感应电路与正温度系数温度感应电路的工作原理相同，再次不再赘述，INTC通过第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8电流镜组比例偏置一负温度系数电流流入第四电阻R4，IPTC通过第五PMOS管PM5与第六PMOS管PM6和第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4电流镜组比例偏置从第四电阻R4上抽走正温度系数电流，负温度系数电流减去正温度系数电流，第四电阻R4上流过的是一温度系数更高的负温度系数电流。VOUT可以通过修改电阻个数比与电流镜比值来调整随温度变化的输出电压范围。
其中施加到第四电阻R4上的负温度系数电流必比抽走的正温度系数电流要大，否则无法得出具有宽温度系数变化范围的温度感应电压VOUT，且VOUT电压会被拉到电源电压。
从上述描述可知，本发明设置有偏置电流单元、启动开关单元、负温度系数产生单元、正温度系数产生单元和整合输出单元，其中，利用正温度系数产生单元和负温度系数产生单元中的三极管的正负温度特性分别得到一路正温度特性与一路负温度特性的电流，通过正温度系数电流减去负温度系数电流或负温度系数电流减去正温度系数电流放大输出电压范围，且得到的温度系数曲线不受MOS管、电阻等工艺偏差的影响，更加精确稳定，电路简单面积小易于实现。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种温度感应电路，其特征在于，所述温度感应电路包括偏置电流单元、负温度系数产生单元、正温度系数产生单元和整合输出单元；
所述偏置电流单元将电流偏置给所述负温度系数产生单元和正温度系数产生单元，所述负温度系数产生单元根据偏置电流产生一路负温度系数电流，所述正温度系数产生单元根据所述偏置电流产生一路正温度系数电流，所述整合输出单元将所述正温度系数电流、所述负温度系数电流相减得到温度系数电流变化范围增加的输出电压。
2.根据权利要求1所述的温度感应电路，其特征在于，所述温度感应电路还包括：启动开关单元，所述启动开关单元在输入电压高于预设电压阈值时导通。
3.根据权利要求2所述的温度感应电路，其特征在于，所述偏置电流单元包括电流源、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管；所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和所述第四PMOS管的源极连接于外部低压电源，所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极连接于所述第一PMOS管的漏极并接到所述电流源一端，所述电流源另一端接地，所述第二PMOS管、第三PMOS管和所述第四PMOS管的漏极连接于后级电路。
4.根据权利要求3所述的温度感应电路，其特征在于，所述负温度系数产生单元包括第一三极管和第一电阻；所述第一三极管的集电极连接于所述第二PMOS管的漏极、基极连接于所述第一电阻输入端。
5.根据权利要求4所述的温度感应电路，其特征在于，所述正温度系数产生单元包括第二三极管、第三三极管、第四三极管和第二电阻、第三电阻；所述第二三极管的集电极、基极和所述第三三极管的基极连接于所述第三PMOS管的漏极，所述第二三极管的发射极和所述第四三极管的发射极连接于所述第二电阻的输入端，所述第三三极管的集电极连接于所述第四PMOS管的漏极，所述第三三极管的发射极连接于所述第三电阻的输入端，所述第四三极管的基极连接于所述第三三极管的集电极。
6.根据权利要求5所述的温度感应电路，其特征在于，所述启动开关单元包括第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管和第二NMOS管的栅极连接于所述第二PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的源极连接于所述第一电阻的输入端，所述第二NMOS管的源极连接于所述第四三极管的集电极。
7.根据权利要求6所述的温度感应电路，其特征在于，所述整合输出单包括第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第四电阻；所述第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管的源极连接于所述低压电源，所述第五PMOS管、第六PMOS管的栅极连接于所述第五PMOS管的漏极并接入所述第二NMOS管的漏极，所述第七PMOS管、第八PMOS管的栅极连接于所述第七PMOS管的漏极并接入所述第一NMOS管的漏极，所述第六PMOS管的漏极接入所述第四电阻的输入端并连接于所述第三NMOS管的漏极，所述第八PMOS管的漏极接入所述第四NMOS管的漏极并连接于所述第三NMOS管和第四NMOS管的栅极。
8.根据权利要求7所述的温度感应电路，其特征在于，所述第一三极管的发射极，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻的输出端，所述第三NMOS管、第四NMOS管的源极连接并接地。
9.根据权利要求8所述的温度感应电路，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻中电阻单体的类型和尺寸相同，以及所述电阻单体的个数不同。
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