CN118032148B - 一种集成温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成温度传感器设计技术领域，具体公开一种集成温度传感器，包括：传感器主体单元，包括电流镜、第一NPN管、第二NPN管、第一电阻和第二电阻，所述传感器主体单元用于产生PTAT电压；驱动单元，与所述传感器主体单元电连接，用于增加所述PTAT电压的驱动能力。本发明通过驱动单元配合传感器主体单元工作，增加了PTAT电压的驱动能力，解决了常规集成温度传感器的PTAT电压节点灌电流和拉电流的能力的问题，实现了对温度精确和稳定的采样。

Description

一种集成温度传感器
技术领域
本发明涉及集成温度传感器设计技术领域，具体涉及一种集成温度传感器。
背景技术
集成温度传感器通过两个集成三极管产生的基射极压差在一个集成电阻上产生PTAT电流，PTAT电流流过另一个集成电阻产生和温度正线性相关的PTAT电压，然后ADC采样PTAT电压通过内部编码得到相应此刻的温度值。集成温度传感器由于体积小、重量轻、测量温度精确，而具有广泛的应用前景。
然而，因为设计时通常PTAT电流很小，PTAT电压节点几乎没有灌电流和拉电流的能力，在实际应用中，常规的集成温度传感器是无法直接通过ADC采样的，需要辅助的驱动电路来配合完成采样工作。现有的驱动电路一种是通过增大集成电阻来实现，该方法会占用较大的面积；另一种是通过复杂的逻辑控制实现采样，造成工作电路的稳定性下降，且增加了逻辑控制的软硬件开销。
基于这一技术背景，本发明研究了一种集成温度传感器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种集成温度传感器，通过驱动单元配合传感器主体单元工作，增加了PTAT电压的驱动能力，解决了常规集成温度传感器的PTAT电压节点灌电流和拉电流的能力的问题，实现了对温度精确和稳定的采样。
为了实现上述目的，本发明提供一种集成温度传感器，包括：
传感器主体单元，包括电流镜、第一NPN管、第二NPN管、第一电阻和第二电阻，所述传感器主体单元用于产生PTAT电压；
驱动单元，与所述传感器主体单元电连接，用于增加所述PTAT电压的驱动能力。
本发明的有益效果包括：
（1）本发明提出的集成温度传感器，通过驱动单元配合传感器主体单元工作，增加了PTAT电压的驱动能力，解决了常规集成温度传感器的PTAT电压节点灌电流和拉电流的能力的问题，实现了对温度精确和稳定的采样。
（2）本发明提出的集成温度传感器，通过压转换电路、正反馈电路、负反馈电路和稳压电路的配合工作，保证了传感器主体单元在稳定工作的前提下，提升了PTAT电压节点灌电流和拉电流的能力。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本发明提出的集成温度传感器的结构示意图。
附图标记说明：
1-传感器主体单元，2-驱动单元，
101-电流镜，102-转换NMOS管，103-转换PMOS管，104-镜像PMOS管，105-正反馈NMOS管，106-分压PMOS管，107-分压NMOS管，108-第一负反馈NMOS管，109-第二负反馈NMOS管，110-稳压PMOS管，111-稳压NMOS管，112-偏置NMOS管；
Q1-第一NPN管，Q2-第二NPN管，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，R5-第五电阻；
v_tempsen-驱动电压输出端，vptat_src-PTAT电压输出端，vcas_n-外部偏置电压，vbp-电流镜第一对PMOS管栅压，vcas_p-电流镜第二对PMOS管栅压，tie0-地电位，VDD-电源，m、n分别为第一NPN管和第二NPN管中单元NPN管数量。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指装置在正常使用状态下的上和下，“内、外”是指相对于装置轮廓而言的。此外，术语“第一、第二、第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一、第二、第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供一种集成温度传感器，如图1所示，包括：
传感器主体单元1，包括电流镜101、第一NPN管Q1、第二NPN管Q2、第一电阻R1和第二电阻R2，所述传感器主体单元1用于产生PTAT电压；
驱动单元2，与传感器主体单元1电连接，用于增加PTAT电压的驱动能力。
本发明中，通过驱动单元2配合传感器主体单元1工作，增加了PTAT电压的驱动能力，解决了常规集成温度传感器的PTAT电压节点灌电流和拉电流的能力的问题，实现了对温度精确和稳定的采样。
根据本发明，电流镜101包括两对PMOS管和第三电阻R3；
每对PMOS管中的两个PMOS管的栅极相互电连接，形成镜像结构；
其中第一对PMOS管中的两个PMOS管的源极均与电源电连接，漏极分别与第二对PMOS管中的两个PMOS管的源极电连接；
第二对PMOS管中的一个PMOS管的漏极与第一NPN管Q1的集电极电连接，另一个PMOS管的漏极与第三电阻R3的一端电连接，第三电阻R3的另一端与第二NPN管Q2的集电极电连接；
第三电阻R3的一端还同时与第一对PMOS管中的两个PMOS管的栅极与电连接；
第三电阻R3的另一端还同时与第二对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接。
根据本发明，该传感器还包括：
偏置NMOS管112，源极与第一NPN管Q1的基极、第二NPN管Q2的基极电连接，漏极与电源VDD电连接，栅极与第一NPN管Q1的集电极电连接；
第二NPN管Q2的发射极与第一电阻R1的一端电连接；
第一电阻R1的另一端同时与第二电阻R2的一端、第一NPN管Q1的发射极电连接；
第二电阻R2的另一端与地电连接；
第一NPN管Q1的发射极作为PTAT电压输出端vptat_src。
根据本发明，驱动单元2包括电压转换电路、正反馈电路、负反馈电路和稳压电路。
优选地，电压转换电路包括两对转换NMOS管102、两个转换PMOS管103和第四电阻R4；
每对转换NMOS管102中的两个NMOS管的栅极相互电连接，形成镜像结构；
其中第一对转换NMOS管102中的两个NMOS管的源极分别与第二对转换NMOS管102中的两个NMOS管的漏极电连接，第一对转换NMOS管102中的一个NMOS管的漏极与两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的漏极电连接，另一个NMOS管的漏极与第四电阻R4的一端电连接；
第二对转换NMOS管102中的一个NMOS管的源极与第一NPN管Q1的发射极电连接，另一个NMOS管的源极作为驱动电压输出端v_tempsen；
第一对转换NMOS管102中的栅极与外部偏置电压vcas_n电连接；
第二对转换NMOS管102中的两个NMOS管的栅极均与两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的漏极电连接。
根据本发明，两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的源极与第二个PMOS管的漏极电连接，第二个PMOS管的源极与电源电连接；
第四电阻R4的另一端与电源电连接；
两个转换PMOS管103中的第二个PMOS管的栅极与第一对PMOS管的栅极电连接；
两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的栅极与第二对PMOS管的栅极电连接。
根据本发明，正反馈电路包括一对镜像PMOS管104、一对正反馈NMOS管105、分压PMOS管106和分压NMOS管107；
一对镜像PMOS管104中的两个PMOS管的栅极相互电连接，源极均与电源电连接，两个PMOS管中的第一个PMOS管的漏极与分压NMOS管107的漏极电连接，第二个PMOS管的漏极与分压PMOS管106的源极电连接，且两个PMOS管中的第一个PMOS管的栅极与自身的漏极电连接；
一对正反馈NMOS管105中的两个NMOS管的栅极相互电连接，源极均与驱动电压输出端v_tempsen电连接，两个NMOS管中的一个NMOS管的漏极与分压NMOS管107的源极电连接，另一个NMOS管的漏极与分压PMOS管106的漏极电连接；
一对正反馈NMOS管105中的两个NMOS管的栅极均与两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的漏极电连接；
分压NMOS管107的栅极与外部偏置电压vcas_n电连接；
分压PMOS管106的栅极与地电平tie0电连接。
优选地，负反馈电路包括第一负反馈NMOS管108、第二负反馈NMOS管109和第五电阻R5；
第一负反馈NMOS管108的栅极同时与第二负反馈NMOS管109的源极、分压PMOS管106的漏极电连接，漏极与驱动电压输出端v_tempsen电连接，源极与地电连接；
第二负反馈NMOS管109的漏极与第五电阻R5的一端电连接；
第五电阻R5的另一端与电源电连接。
优选地，稳压电路包括两个稳压PMOS管110和两个稳压NMOS管111；
两个稳压PMOS管110中的第一个稳压PMOS管110的栅极与电流镜101中第一对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接，源极与电源电连接，漏极与第二个稳压PMOS管110的源极电连接；
两个稳压PMOS管110中的第二个稳压PMOS管110的栅极与电流镜101中第二对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接，漏极同时与两个稳压NMOS管111中的第一个稳压NMOS管111的漏极、第二负反馈NMOS管的栅极电连接。
根据本发明，两个稳压NMOS管111中的第一个稳压NMOS管111的源极与第二个稳压NMOS管111的漏极电连接，第二个稳压NMOS管111的源极与地电连接；
每个稳压NMOS管111的栅极均与自身的漏极电连接。
本发明中，通过压转换电路、正反馈电路、负反馈电路和稳压电路的配合工作，保证了传感器主体单元1在稳定工作的前提下，提升了PTAT电压节点灌电流和拉电流的能力。
下面通过具体实施例对本发明进行更详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种集成温度传感器，包括：
传感器主体单元1，包括电流镜101、第一NPN管Q1、第二NPN管Q2、第一电阻R1和第二电阻R2，所述传感器主体单元1用于产生PTAT电压；
驱动单元2，与传感器主体单元1电连接，用于增加PTAT电压的驱动能力；
本实施例中，电流镜101包括两对PMOS管和第三电阻R3；
每对PMOS管中的两个PMOS管的栅极相互电连接，形成镜像结构；
其中第一对PMOS管中的两个PMOS管的源极均与电源电连接，漏极分别与第二对PMOS管中的两个PMOS管的源极电连接；
第二对PMOS管中的一个PMOS管的漏极与第一NPN管Q1的集电极电连接，另一个PMOS管的漏极与第三电阻R3的一端电连接，第三电阻R3的另一端与第二NPN管Q2的集电极电连接；
第三电阻R3的一端还同时与第一对PMOS管中的两个PMOS管的栅极与电连接；
第三电阻R3的另一端还同时与第二对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接；
本实施例中的传感器还包括：
偏置NMOS管112，源极与第一NPN管Q1的基极、第二NPN管Q2的基极电连接，漏极与电源VDD电连接，栅极与第一NPN管Q1的集电极电连接；
第二NPN管Q2的发射极与第一电阻R1的一端电连接；
第一电阻R1的另一端同时与第二电阻R2的一端、第一NPN管Q1的发射极电连接；
第二电阻R2的另一端与地电连接；
第一NPN管Q1的发射极作为PTAT电压输出端vptat_src；
本实施例中，驱动单元2包括电压转换电路、正反馈电路、负反馈电路和稳压电路；
电压转换电路包括两对转换NMOS管102、两个转换PMOS管103和第四电阻R4；
每对转换NMOS管102中的两个NMOS管的栅极相互电连接，形成镜像结构；
其中第一对转换NMOS管102中的两个NMOS管的源极分别与第二对转换NMOS管102中的两个NMOS管的漏极电连接，第一对转换NMOS管102中的一个NMOS管的漏极与两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的漏极电连接，另一个NMOS管的漏极与第四电阻R4的一端电连接；
第二对转换NMOS管102中的一个NMOS管的源极与第一NPN管Q1的发射极电连接，另一个NMOS管的源极作为驱动电压输出端v_tempsen；
第一对转换NMOS管102中的栅极与外部偏置电压vcas_n电连接；
第二对转换NMOS管102中的两个NMOS管的栅极均与两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的漏极电连接；
本实施例中，两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的源极与第二个PMOS管的漏极电连接，第二个PMOS管的源极与电源电连接；
第四电阻R4的另一端与电源电连接；
两个转换PMOS管103中的第二个PMOS管的栅极与第一对PMOS管的栅极电连接；
两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的栅极与第二对PMOS管的栅极电连接；
正反馈电路包括一对镜像PMOS管104、一对正反馈NMOS管105、分压PMOS管106和分压NMOS管107；
一对镜像PMOS管104中的两个PMOS管的栅极相互电连接，源极均与电源电连接，两个PMOS管中的第一个PMOS管的漏极与分压NMOS管107的漏极电连接，第二个PMOS管的漏极与分压PMOS管106的源极电连接，且两个PMOS管中的第一个PMOS管的栅极与自身的漏极电连接；
一对正反馈NMOS管105中的两个NMOS管的栅极相互电连接，源极均与驱动电压输出端v_tempsen电连接，两个NMOS管中的一个NMOS管的漏极与分压NMOS管107的源极电连接，另一个NMOS管的漏极与分压PMOS管106的漏极电连接；
一对正反馈NMOS管105中的两个NMOS管的栅极均与两个转换PMOS管103中的第一个PMOS管的漏极电连接；
分压NMOS管107的栅极与外部偏置电压vcas_n电连接；
分压PMOS管106的栅极与地电平tie0电连接；
本实施例中，负反馈电路包括第一负反馈NMOS管108、第二负反馈NMOS管109和第五电阻R5；
第一负反馈NMOS管108的栅极同时与第二负反馈NMOS管109的源极、分压PMOS管106的漏极电连接，漏极与驱动电压输出端v_tempsen电连接，源极与地电连接；
第二负反馈NMOS管109的漏极与第五电阻R5的一端电连接；
第五电阻R5的另一端与电源电连接；
稳压电路包括两个稳压PMOS管110和两个稳压NMOS管111；
两个稳压PMOS管110中的第一个稳压PMOS管110的栅极与电流镜101中第一对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接，源极与电源电连接，漏极与第二个稳压PMOS管110的源极电连接；
两个稳压PMOS管110中的第二个稳压PMOS管110的栅极与电流镜101中第二对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接，漏极同时与两个稳压NMOS管111中的第一个稳压NMOS管111的漏极、第二负反馈NMOS管的栅极电连接；
本实施例中，两个稳压NMOS管111中的第一个稳压NMOS管111的源极与第二个稳压NMOS管111的漏极电连接，第二个稳压NMOS管111的源极与地电连接；
每个稳压NMOS管111的栅极均与自身的漏极电连接。
本实施例中，第一NPN管Q1、第二NPN管Q2和第一电阻R1产生PTAT电流iptat=Δvbe/R1，PTAT电流经第二电阻R2转成PTAT电压在PTAT电压输出端vptat_src输出，PTAT电压经两对转换NMOS管102、两个转换PMOS管103和第四电阻R4等价转换成驱动电压在驱动电压输出端v_tempsen输出到ADC的采样电路；
外部电路灌入电流：外部电路从驱动电压输出端v_tempsen灌入电流时候，一对正反馈NMOS管105的两个NMOS管中的一个NMOS管（漏极与分压PMOS管106的漏极电连接的NMOS管）与第一负反馈NMOS管108组成的负反馈环路，这样的好处是负反馈可以让驱动电压稳定，同时第一负反馈NMOS管108具有很强的释放电流能力，灌入电流通过第一负反馈NMOS管108释放到地；
外部电路抽电流：外部电路从从驱动电压输出端v_tempsen抽载的时候，电路有三个优化，①正反馈电路包括一对镜像PMOS管104、一对正反馈NMOS管105组成正反馈，一对镜像PMOS管104的栅极电压跟随驱动电压降低，一对镜像PMOS管104驱动能力同步增强；②驱动电压降低，第二对转换NMOS管102中的另一个NMOS管（源极作为驱动电压输出端v_tempsen的NMOS管）的驱动能力同步增强，但其栅极电压因为电容耦合不会保持恒定，该NMOS管驱动能力会被削弱；③第一负反馈NMOS管108栅极电压跟随驱动电压降低，第二负反馈NMOS管109的栅极电压恒定不随负载变化，其栅源压差增大，驱动能力也同步增强。
本发明的实施例提出的集成温度传感器，通过驱动单元配合传感器主体单元工作，增加了PTAT电压的驱动能力，解决了常规集成温度传感器的PTAT电压节点灌电流和拉电流的能力的问题，实现了对温度精确和稳定的采样。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (3)

1.一种集成温度传感器，其特征在于，包括：
传感器主体单元，包括电流镜、第一NPN管、第二NPN管、第一电阻和第二电阻，所述传感器主体单元用于产生PTAT电压；
驱动单元，与所述传感器主体单元电连接，用于增加所述PTAT电压的驱动能力；
所述电流镜包括两对PMOS管和第三电阻；
每对PMOS管中的两个PMOS管的栅极相互电连接，形成镜像结构；
其中第一对PMOS管中的两个PMOS管的源极均与电源电连接，漏极分别与第二对PMOS管中的两个PMOS管的源极电连接；
第二对PMOS管中的一个PMOS管的漏极与所述第一NPN管的集电极电连接，另一个PMOS管的漏极与所述第三电阻的一端电连接，所述第三电阻的另一端与所述第二NPN管的集电极电连接；
所述第三电阻的一端还同时与第一对PMOS管中的两个PMOS管的栅极与电连接；
所述第三电阻的另一端还同时与第二对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接；
偏置NMOS管，源极与所述第一NPN管的基极、所述第二NPN管的基极电连接，漏极与电源电连接，栅极与所述第一NPN管的集电极电连接；
所述第二NPN管的发射极与所述第一电阻的一端电连接；
所述第一电阻的另一端同时与所述第二电阻的一端、所述第一NPN管的发射极电连接；
所述第二电阻的另一端与地电连接；
所述第一NPN管的发射极作为PTAT电压输出端；
所述驱动单元包括电压转换电路、正反馈电路、负反馈电路和稳压电路；
所述电压转换电路包括两对转换NMOS管、两个转换PMOS管和第四电阻；
每对转换NMOS管中的两个NMOS管的栅极相互电连接，形成镜像结构；
其中第一对转换NMOS管中的两个NMOS管的源极分别与第二对转换NMOS管中的两个NMOS管的漏极电连接，第一对转换NMOS管中的一个NMOS管的漏极与所述两个转换PMOS管中的第一个PMOS管的漏极电连接，另一个NMOS管的漏极与所述第四电阻的一端电连接；
第二对转换NMOS管中的一个NMOS管的源极与所述第一NPN管的发射极电连接，另一个NMOS管的源极作为驱动电压输出端；
第一对转换NMOS管中的栅极与外部偏置电压电连接；
第二对转换NMOS管中的两个NMOS管的栅极均与所述两个转换PMOS管中的第一个PMOS管的漏极电连接；
所述正反馈电路包括一对镜像PMOS管、一对正反馈NMOS管、分压PMOS管和分压NMOS管；
所述一对镜像PMOS管中的两个PMOS管的栅极相互电连接，源极均与电源电连接，两个PMOS管中的第一个PMOS管的漏极与所述分压NMOS管的漏极电连接，第二个PMOS管的漏极与所述分压PMOS管的源极电连接，且两个PMOS管中的第一个PMOS管的栅极与自身的漏极电连接；
所述一对正反馈NMOS管中的两个NMOS管的栅极相互电连接，源极均与所述驱动电压输出端电连接，两个NMOS管中的一个NMOS管的漏极与所述分压NMOS管的源极电连接，另一个NMOS管的漏极与所述分压PMOS管的漏极电连接；
所述一对正反馈NMOS管中的两个NMOS管的栅极均与所述两个转换PMOS管中的第一个PMOS管的漏极电连接；
所述分压NMOS管的栅极与所述外部偏置电压电连接；
所述分压PMOS管的栅极与地电平电连接；
所述负反馈电路包括第一负反馈NMOS管、第二负反馈NMOS管和第五电阻；
所述第一负反馈NMOS管的栅极同时与所述第二负反馈NMOS管的源极、所述分压PMOS管的漏极电连接，漏极与所述驱动电压输出端电连接，源极与地电连接；
所述第二负反馈NMOS管的漏极与所述第五电阻的一端电连接；
所述第五电阻的另一端与电源电连接；
所述稳压电路包括两个稳压PMOS管和两个稳压NMOS管；
所述两个稳压PMOS管中的第一个稳压PMOS管的栅极与所述电流镜中第一对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接，源极与电源电连接，漏极与第二个稳压PMOS管的源极电连接；
所述两个稳压PMOS管中的第二个稳压PMOS管的栅极与所述电流镜中第二对PMOS管中的两个PMOS管的栅极电连接，漏极同时与所述两个稳压NMOS管中的第一个稳压NMOS管的漏极、所述第二负反馈NMOS管的栅极电连接。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述两个转换PMOS管中的第一个PMOS管的源极与第二个PMOS管的漏极电连接，第二个PMOS管的源极与电源电连接；
所述第四电阻的另一端与电源电连接；
所述两个转换PMOS管中的第二个PMOS管的栅极与第一对PMOS管的栅极电连接；
所述两个转换PMOS管中的第一个PMOS管的栅极与第二对PMOS管的栅极电连接。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述两个稳压NMOS管中的第一个稳压NMOS管的源极与第二个稳压NMOS管的漏极电连接，第二个稳压NMOS管的源极与地电连接；
每个稳压NMOS管的栅极均与自身的漏极电连接。
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