专利名称：温度传感器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度传感器电路。
背景技术：
在工业控制和电力系统中，环境温度是需要测量的一个重要参数。因此，温度传感器在系统中得到广泛地应用。而集成电路温度传感器具有体积小，成本低、易于集成等优
点ο但是传统的集成电路温度传感器都是先基于三极管基极-发射极电压Vbe的温度特性产生一个与温度成正比的PTAT (Proportional To Absolute Temperature)电压信号 AVbe电压，然后通过高精度模数转换器ADC (Analog-to-Digital Converter)将压转换为数字编码。其主要缺点是1、ΔνΒΕ电压比较小，因此对ADC的精度要求很高，或者需要专门的放大电路对其进行放大。2、高精度ADC的面积和功耗都比较大，对系统上降低功耗和成本都带来了困难。另外，常见的基于时域信号的温度传感器大都采用一个与温度相关的信号与另一个与温度无关的基准信号相比较的方式实现。Karim Arabi等人利用集成电路中电阻的温度特性测量温度(参考K. Arabi, and B. Kaminska, "Built-in temperature sensors for on-line thermal monitoring of microelectronic structures,” in Proc. I CCD, 1997)。先利用电阻产生一个与电阻成反比的电流源，该电流源产生的电流再输入到电流控制的环形振荡器电路中，产生一个周期与电阻成正比的时钟信号。电阻会随温度变化而变化，因此，时钟周期也会随温度做相应的改变。通过测量时钟的周期即可测量温度的大小。然而，这种结构的温度传感器的温度系数直接与电阻的温度系数相关，集成电路中电阻的温度系数相对较低，因此，温度传感器的分辨率较低；而且集成电路中电阻温度特性的线性度较差，且离散性大，使得这种结构的温度传感器的精度不高且离散性较大。Poki Chen等人利用载流子迁移率的温度特性产生一个与脉冲宽度与温度成正比的脉冲信号，然后利用Pulse-Siinking TDC时间/数字转换器 (Time-I^o-Digital-Converter)将其转换为数字编码(参考 Poki Chen, Chun-Chi Chen, Wen-Fu Lu, and Chin-Chung Tsai, "A Time-to-DigitaI-Converter-Based CMOS Smart Temperature Sensor, ” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 8, pp. 1642-1648，Aug. 2005)。然而这种温度传感器的工作条件比较苛刻，需要电源电压远大于 MOS场效应管的阈值电压Vth ；与温度无关的Pulse-Slinking Delay (脉冲缩减延迟)请提供中文，谢谢！单元中的MOS场效应管需要工作在强反型的条件下，不适用于低压低功耗的工作条件；输出编码与MOS场效应管的阈值电压和载流子的迁移率直接相关，使得输出结果的温度系数受集成电路制造工艺的影响较大，需要进行高低温两点调校。Chan-Kyung Kim等人在专利说明书US7581881 (B2)中采用两个时钟信号计数的方式实现了将温度直接转换为数字编码的温度传感器，其中一个时钟周期与温度相关，另一个时钟周期与温度无关。与温度相关的时钟信号直接由电阻产生，集成电路中电阻的绝对值和温度系数都会随工艺误差有较大的变化，同时与温度无关的时钟周期采用MOS场效应管实现，MOS场效应管的阈值电压和载流子的迁移率也会随工艺误差有较大的变化，因此集成电路工艺偏差对整个温度传感器的温度系数和线性度都会有很大的影响。
发明内容
本发明提供的一种温度传感器电路，为避免了传统基于时域信号的温度传感器容易受到集成电路制造工艺影响的缺点，将两个与温度相关的时域信号，通过一个信号处理器转换为数字编码，转换后的数字编码只与集成电路中器件参数的相对值有关，与它们的绝对值无关，因而，不易受集成电路制造工艺的影响，更加容易被控制和实现。为了达到上述目的，本发明提供一种温度传感器电路，包含电路连接的第一信号发生器、第二信号发生器和信号处理器。所述第一信号发生器和第二信号发生器的输出端连接所述信号处理器的输入端。第一信号发生器产生一个与温度相关的信号，第二信号发生器产生一个与温度相关，且与第一信号发生器产生的信号有确定函数关系的信号；第一信号发生器产生的信号和第二信号发生器产生的信号输入到信号处理器中进行处理，信号处理器最终输出一个与温度具有函数关系的数字编码。所述的第一信号发生器是能够产生脉冲信号或时钟信号的电路，其产生的脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的周期是电路中至少一个器件参数的函数，该函数中至少包含一个与温度相关的器件参数，该器件参数或与温度成线性关系，或者反比例关系，或者是平方关系，或者是其他关系，该函数中与脉冲宽度或时钟周期相关的器件参数或者与温度相关， 或者与温度无关。所述的第一信号发生器包含第一 PTAT电流发生器和第一时钟发生器，所述的第一 PTAT电流发生器的电流输出端连接到第一时钟发生器的输入端，第一 PTAT电流发生器产生一路电流，第一时钟发生器受输入电流的控制，产生一个周期与输入电流相关的时钟信号。所述的第一信号发生器中包含若干电路连接的三极管、电阻、电容、反相器，若干晶体管组成电流镜。所述的第一信号发生器产生的时钟信号的时钟周期是三极管基极-发射极电压差、电阻阻值、电容容值、反相器翻转阈值以及电流镜的电流放大倍数的函数；其中，三极管基极-发射极电压差与温度呈线性关系，电阻阻值、电容容值、和反相器翻转阈值是温度的函数，电流镜的电流放大倍数与温度无关。所述的第一信号发生器产生的时钟信号的时钟周期是场效应晶体管栅极-源极电压差、电阻阻值、电容容值、反相器翻转阈值以及电流镜的电流放大倍数的函数；
其中，场效应晶体管栅极-源极电压差与温度呈线性关系，电阻阻值、电容容值、和反相器翻转阈值是温度的函数，电流镜的电流放大倍数与温度无关。所述的第二信号发生器是能够产生脉冲信号或时钟信号的电路，其产生的脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的周期是电路中至少一个器件参数的函数，这些参数或与温度相关，或与温度无关。
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同时，第二信号发生器产生的脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的周期与第一信号发生器产生的脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的周期的比值与温度之间具有确定的函数关系。所述的第二信号发生器包含第二 PTAT电流发生器、CTAT电流发生器和第二时钟发生器，所述的第二 PTAT电流发生器和CTAT电流发生器的输出端连接所述第二时钟发生器的输入端，第二 PTAT电流发生器和CTAT电流发生器分别产生电流输出到第二时钟发生器，第二时钟发生器受两个输入电流的控制，产生一个其周期与输入电流相关的时钟信号 S20所述第二 PTAT电流发生器可以采用与第一 PTAT电流发生器相同的电路结构。所述的第二信号发生器的电路结构中，也可以将第二 PTAT电流发生器和CTAT电流发生器合并为同一个电流发生器，同时，用第一时钟发生器代替原来的第二时钟发生器。所述的第二信号发生器包含若干电路连接的三极管、电阻、电容、反相器，若干晶体管组成电流镜。所述的第二信号发生器产生的时钟信号的时钟周期为三极管基极-发射极电压差、三极管基极-发射极电压、电阻阻值、电容容值、反相器翻转阈值以及电流镜的电流放大倍数的函数；
其中，三极管基极-发射极电压差、三极管基极-发射极电压、电阻阻值、电容容值、反相器翻转阈值是温度的函数，电流镜的电流放大倍数与温度无关。使得所述第一信号发生器和第二信号发生器中同样的器件参数的温度系统相互抵消。所述第一信号发生器和第二信号发生器中，采用相同类型的电容，其温度系数相同，可相互抵消，采用相同类型的电阻，其温度系数相同，可相互抵消，采用相同类型的反相器，其温度系数相同，可相互抵消，选取抵消参数，使得三极管基极-发射极电压差和三极管基极-发射极电压的温度系数相互抵消。所述信号处理器是能够将脉冲或时钟等与时间相关信号转换为数字编码信号的电路，信号处理器的两个信号输入端分别为被转换信号输入端和参考信号输入端，这两个信号输入端分别连接到第一信号发生器的输出端和第二信号发生器的输出端，信号处理器输出与温度具有特定函数关系的数字编码。本发明不需要构造与温度成线性关系的信号和与温度无关的信号，而是直接将两个与温度相关的时间信号进行处理，得到一个与温度之间具有确定函数关系的数字编码。 电路中各个与温度、工艺相关的参数在信号处理器处理的过程中相互抵消，使得输出结果不容易受到集成电路制造工艺的影响。
图1是本发明提供的温度传感器电路的结构示意图2是本发明提供的温度传感器电路的第一信号发生器的结构示意图； 图3是本发明提供的温度传感器电路的第一信号发生器内第一 PTAT电流发生器的第一实施例的电路图4是本发明提供的温度传感器电路的第一信号发生器内第一 PTAT电流发生器的第二实施例的电路图5是本发明提供的温度传感器电路的第一信号发生器内第一 PTAT电流发生器的第三实施例的电路图6是本发明提供的温度传感器电路的第一信号发生器内第一 PTAT电流发生器的第四实施例的电路图7是本发明提供的温度传感器电路的第一信号发生器内第一时钟发生器的电路图； 图8是本发明提供的温度传感器电路的第二信号发生器的结构示意图； 图9是本发明提供的温度传感器电路的第二信号发生器内CTAT电流发生器的电路
图10是本发明提供的温度传感器电路的第二信号发生器内第二时钟发生器的电路
图11是本发明提供的温度传感器电路的第二信号发生器的另一种结构示意图； 图12是本发明提供的信号处理器处理信号的时序示意图。
具体实施例方式以下根据图1 图12，具体说明本发明的较佳实施例
如图1所示，是本发明提供的温度传感器电路的结构示意图，该温度传感器电路包含第一信号发生器101、第二信号发生器102和信号处理器103。所述第一信号发生器101和第二信号发生器102的输出端连接所述信号处理器103的输入端。第一信号发生器101产生一个与温度相关的信号S1，第二信号发生器102产生一个与温度相关，且与第一信号发生器101产生的信号有确定函数关系的信号& ；第一信号发生器101产生的信号和第二信号发生器102产生的信号输入到信号处理器103中进行处理，信号处理器103最终输出一个与温度具有函数关系的数字编码TN。所述第一信号发生器101产生一个时域的脉冲信号或时钟信号S1,该脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的时钟周期Tsi是电路中至少一个器件参数的函数，该函数中至少包含一个与温度相关的器件参数，该器件参数或与温度成线性关系，或者反比例关系，或者是平方关系，或者是其他关系，该函数中与脉冲宽度或时钟周期相关的器件参数或者与温度相关，或者与温度无关。Tsi(J) = T[(X1(T)iX抓,；(1)
式中，^C1(T), )(2(T)，…表示电路中与温度相关的器件参数，ii，b,…表示与温度无关的参数。如图2所示，所述的第一信号发生器101包含第一 PTAT (Proportional To Absolute Temperature与绝对温度成正比)电流发生器1011和第一时钟发生器1012。所述的第一 PTAT电流发生器1011的电流输出端连接到第一时钟发生器1012的输入端，第一 PTAT电流发生器1011产生一路电流I1(T)，第一时钟发生器1012受输入电流的控制，产生一个周期与输入电流相关的时钟信号S-如图3所示，是第一 PTAT电流发生器1011的一种实施例的电路结构图，第一三极管Ql的基极和集电极与地相连接，发射极与电阻Rl的一端相连接，Rl的另一端与运算放大器OPl的正相输入端相连接，第二三极管Q2的基极和集电极与地相连接，发射极与OPl的反相输入端相连接，第一 P型场效应晶体管MPl的源级与电源相连接，栅极连接到OPl的输出端，漏极连接到OPl的正相输入端，第二 P型场效应晶体管MP2的源级与电源相连接， 栅极连接到OPl的输出端，漏极连接到OPl的反相输入端，第三P型场效应晶体管MP3的源级与电源相连接，栅极连接到OPl的输出端，漏极连接到第一时钟发生器的电流输入端，为第一时钟发生器提供电流。P型场效应管MP1、MP2、MP3组成的电流镜的宽长比的比值为 l:l:a，本实施例中，a=l。所述的第一 PTAT电流发生器1011产生的电流I1(T)与两个三极管Ql、Q2的基极-发射极电压之差AVbei=Vbe q2-Vbejji成正比、与电阻Rl的阻值成反比，可表示为
权利要求
1.一种温度传感器电路，其特征在于，该温度传感器电路包含电路连接的第一信号发生器(101)、第二信号发生器(102)和信号处理器(103)，所述第一信号发生器(101)和第二信号发生器(102)的输出端连接所述信号处理器(103)的输入端；第一信号发生器(101)产生一个与温度相关的信号(Si)，第二信号发生器(102)产生一个与温度相关，且与第一信号发生器(101)产生的信号有确定函数关系的信号(S2);第一信号发生器(101)产生的信号(Si)和第二信号发生器(102)产生的信号(S2)输入到信号处理器(103)中进行处理，信号处理器(103)最终输出一个与温度具有函数关系的数字编码(TN)。
2.如权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第一信号发生器(101) 是能够产生脉冲信号或时钟信号的电路，其产生的脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的周期 (Tsi)是电路中至少一个器件参数的函数，该函数中至少包含一个与温度相关的器件参数， 该器件参数或与温度成线性关系，或者反比例关系，或者是平方关系，该函数中与脉冲宽度或时钟周期相关的器件参数或者与温度相关，或者与温度无关。
3.如权利要求2所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第一信号发生器(101) 包含第一 PTAT电流发生器(1011)和第一时钟发生器(1012)，所述的第一 PTAT电流发生器(1011)的电流输出端连接到第一时钟发生器(1012)的输入端，第一 PTAT电流发生器 (1011)产生一路电流，第一时钟发生器(1012)受输入电流的控制，产生一个周期与输入电流相关的时钟信号(Si)。
4.如权利要求3所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第一信号发生器(101)中包含若干电路连接的三极管、场效应晶体管、电阻、电容、反相器，若干晶体管组成电流镜。
5.如权利要求4所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第一信号发生器产生的时钟信号(S1)的时钟周期(Tsi)是三极管基极-发射极电压差、电阻阻值、电容容值、反相器翻转阈值以及电流镜的电流放大倍数的函数；其中，三极管基极-发射极电压差与温度呈线性关系，电阻阻值、电容容值、和反相器翻转阈值是温度的函数，电流镜的电流放大倍数与温度无关。
6.如权利要求4所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第一信号发生器产生的时钟信号(S1)的时钟周期(Tsi)是场效应晶体管栅极-源极电压差、电阻阻值、电容容值、反相器翻转阈值以及电流镜的电流放大倍数的函数；其中，场效应晶体管栅极-源极电压差与温度呈线性关系，电阻阻值、电容容值、和反相器翻转阈值是温度的函数，电流镜的电流放大倍数与温度无关。
7.如权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第二信号发生器(102) 是能够产生脉冲信号或时钟信号的电路，其产生的脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的周期 (Ts2)是电路中至少一个器件参数的函数，这些参数或与温度相关，或与温度无关；同时，第二信号发生器(102)产生的脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的周期(Ts2)与第一信号发生器(101)产生的脉冲信号的脉冲宽度或时钟信号的周期(Tsi)的比值与温度之间具有确定的函数关系。
8.如权利要求7所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第二信号发生器(102)包含第二 PTAT电流发生器(1022)、CTAT电流发生器(1021)和第二时钟发生器(1023)，所述的第二 PTAT电流发生器(1022)和CTAT电流发生器(1021)的输出端连接所述第二时钟发生器(1023)的输入端，第二 PTAT电流发生器(1022)和CTAT电流发生器(1021)分别产生电流输出到第二时钟发生器(1023)，第二时钟发生器(1023)受两个输入电流的控制，产生一个其周期与输入电流相关的时钟信号(S2 )。
9.如权利要求8或权利要求3所述的温度传感器电路，其特征在于，所述第二PTAT电流发生器(1022)采用与第一 PTAT电流发生器(1011)相同的电路结构。
10.如权利要求3、8或9所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第二信号发生器 (102)将第二 PTAT电流发生器和CTAT电流发生器合并为同一个电流发生器(1024)，同时， 用第一时钟发生器(1012)代替原来的第二时钟发生器。
11.如权利要求10所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的第二信号发生器(102) 包含若干电路连接的三极管、电阻、电容、反相器，若干晶体管组成电流镜。
12.如权利要求11所述的温度传感器电路，其特征在于，第二信号发生器(102)产生的时钟信号(S2)的时钟周期(Ts2)为三极管基极-发射极电压差、三极管基极-发射极电压、 电阻阻值、电容容值、反相器翻转阈值以及电流镜的电流放大倍数的函数；其中，三极管基极-发射极电压差、三极管基极-发射极电压、电阻阻值、电容容值、反相器翻转阈值是温度的函数，电流镜的电流放大倍数与温度无关。
13.如权利要求5或12所述的温度传感器电路，其特征在于，使得所述第一信号发生器 (101)和第二信号发生器(102)中同样的器件参数的温度系统相互抵消。
14.如权利要求13所述的温度传感器电路，其特征在于，所述第一信号发生器(101)和第二信号发生器(102)中采用相同类型的电容，其温度系数相同，可相互抵消；采用相同类型的电阻，其温度系数相同，可相互抵消；采用相同类型的反相器，其温度系数相同，可相互抵消；选取抵消参数，使得三极管基极-发射极电压差和三极管基极-发射极电压的温度系数相互抵消。
15.如权利要求1所述的温度传感器电路，其特征在于，所述的信号处理器(103)是能够将脉冲或时钟等与时间相关信号转换为数字编码信号的电路，信号处理器(103)的两个信号输入端分别为被转换信号输入端和参考信号输入端，这两个信号输入端分别连接到第一信号发生器(101)的输出端和第二信号发生器(102)的输出端，信号处理器(103)输出与温度具有特定函数关系的数字编码(TN)。
全文摘要
一种温度传感器电路，包含电路连接的第一信号发生器、第二信号发生器和信号处理器，所述第一信号发生器和第二信号发生器的输出端连接所述信号处理器的输入端。为避免传统基于时域信号的温度传感器容易受到集成电路制造工艺影响的缺点，将两个与温度相关的时域信号，通过一个信号处理器转换为数字编码，转换后的数字编码只与集成电路中器件参数的相对值有关，与它们的绝对值无关，因而，不易受集成电路制造工艺的影响，更加容易被控制和实现。
文档编号G01K7/00GK102486414SQ20101056842
公开日2012年6月6日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者刘阳, 姚振, 郝树森 申请人:上海复旦微电子股份有限公司