一种温度检测系统及方法与流程

本发明涉及温度检测领域，具体涉及了一种晶体管工作在亚阈区的温度检测系统及方法。

背景技术：

传统的检测温度的电路根据器件(如二极管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET、双极晶体管BJT等)的特性随温度的变化而发生漂移这一机理利用器件的正常工作区(对MOSFET而言，其栅源电压大于其阈值电压)进行温度检测，其主要构成是这样的：首先利用器件特性随温度的变化将感知的温度转化为电流或电压，然后利用模-数转换电路将连续的电流或电压模拟量转换为离散的数字量，然后将这一表征随温度变化的电流或电压的数字量进一步线性地转化或译码为表征感知温度的数字量，如图1所示。

这种传统的检测温度的电路的缺点：器件工作在正常工作区，其电压较高、电流较大，因此电路功耗较大；利用模-数转换电路将表征检测温度的电流/电压模拟信号转换为表征检测温度的电流/电压数字信号，因此模-数转换电路面积较大，同时导致整体电路功耗较大；采用线性转换电路(线性译码器)将表征检测温度的电流/电压数字信号线性地转换为表征检测温度的数字信号，将表征检测温度的电流/电压模拟信号随温度的变化近似为线性关系，而忽略了表征检测温度的电流/电压模拟信号与温度之间的非线性关系，这在某些温度范围内会导致较大的误差，降低了温度检测精度；正常工作电压下，检测温度的电流/电压随温度的变化不明显，限制了检测温度的精度的提高。

技术实现要素：

本发明提供了一种温度检测系统，以使温度检测系统达到功耗低、面 积小、测量精度高的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种温度检测系统，其特征在于，包括：晶体管电路、计数器、转换电路；

所述晶体管电路的晶体管工作在亚阈区，用于生成频率随温度变化的信号，并将所述频率随温度变化的信号传送给所述计数器；

所述计数器连接在所述晶体管电路与所述转换电路之间，对所述频率随温度变化的信号进行计数，并将得到的计数值传送给所述转换电路；

所述转换电路与所述计数器连接，用于将所述计数值转换为表征温度的数字信号。

优选地，所述转换电路为线性转换电路或非线性转换电路。

优选地，所述晶体管电路为工作在亚阈区的MOSFET电路。

优选地，所述工作在亚阈区的MOSFET电路为工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路。

优选地，所述工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路由奇数个反相器组成，每一级反相器的输出端连接下一级反相器的输入端，最后一级反相器的输出端连接在第一级反相器的输入端。

优选地，每个反相器的电源电压vdd满足：大于2倍热电压Vr并小于阈值电压Vy；所述阈值电压Vy为每个反相器中P型MOSFET阈值电压Vthp绝对值，或者所述阈值电压Vy为每个反相器中N型MOSFET阈值电压Vthn绝对值，或者所述阈值电压Vy为每个反相器中P型MOSFET阈值电压Vthp绝对值与N型MOSFET阈值电压Vthn绝对值中的最小值。

优选地，每个反相器的电源电压vdd满足：大于3倍热电压Vr并小于阈值电压Vy；所述阈值电压Vy为每个反相器中P型MOSFET阈值电压Vthp绝对值，或者所述阈值电压Vy为每个反相器中N型MOSFET阈值电压Vthn绝对值，或者所述阈值电压Vy为每个反相器中P型MOSFET阈值电压Vthn绝对值与N型MOSFET阈值电压Vthn绝对值中的最小值。

优选地，所述转换电路包括多个线性转换电路，用于实现非线性转换。

优选地，所述系统还包括：分频电路；所述分频电路连接在所述晶体 管电路与所述计数器之间，用于对所述频率随温度变化的信号进行分频。

一种温度检测方法，其特征在于，所述方法包括：

利用工作在亚阈区的晶体管电路感知温度变化；

获取所述晶体管电路输出的频率随温度变化的信号；

对所述频率随温度变化的信号进行计数，得到第一计数值；

将所述第一计数值转换为表征温度的数字信号。

一种温度检测方法，其特征在于，所述方法包括：

利用工作在亚阈区的晶体管电路感知温度变化；

获取所述晶体管电路输出的频率随温度变化的信号；

对所述频率随温度变化的信号进行分频，得到分频信号；

对所述分频信号进行计数，得到第一计数值；

将所述第一计数值转换为表征温度的数字信号。

优选地，所述晶体管电路为：MOSFET环形振荡器电路。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的温度检测系统及方法，工作在亚阈区的晶体管电路感知温度变化，以生成频率随温度变化的信号；计数器对所述频率随温度变化的信号进行计数得到计数值，转换电路将所述计数值转化为表征温度的数字信号。利用本发明使温度检测系统达到功耗低、面积小、测量精度高的目的。

附图说明

图1是现有技术中温度检测电路的结构示意图。

图2是本发明实施例温度检测系统的一种结构示意图。

图3是本发明工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路的结构示意图。

图4是本发明实施例温度检测系统的另一种结构示意图。

图5是本发明实施例温度检测系统的第三种结构示意图。

图6是本发明实施例中计数值与温度值转换关系的一种结构示意图。

图7是本发明实施例中计数值与温度值转换关系的另一种结构示意图。

图8是本发明实施例温度检测系统的第四种结构示意图。

图9是本发明实施例温度检测系统的第五种结构示意图

图10是本发明实施例温度检测方法的一种流程图。

图11是本发明实施例温度检测方法的另一种流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能更进一步了解本发明的特征及技术内容，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作详细说明。

针对上述传统的检测温度的电路的缺点，本发明实施例提供一种温度检测系统，以达到提高检测精度、降低功耗、节约电路板的目的。

图2是本发明实施例温度检测系统的一种结构示意图，该系统包括：晶体管电路、计数器、转换电路；所述晶体管电路的晶体管工作在亚阈区，用于生成随温度变化的频率信号，并将所述频率随温度变化的信号传送给所述计数器；所述计数器连接在所述晶体管电路与所述转换电路之间，对所述频率随温度变化的信号进行计数，并将得到的计数值传送给所述转换电路；所述转换电路与所述计数器连接，用于将所述计数值转换为表征温度的数字信号。

实际应用中，晶体管电路输出表征检测温度的频率随温度变化的信号，计数器对表征检测温度的频率随温度变化的信号的周期数进行计数得到计数值，并将计数值输出给转换电路，转换电路将表征检测温度的计数值转换为表征检测温度的数字信号，从而实现低功耗的、且面积小的全数字的温度检测电路。

需要说明的是，表征亚阈区特性的最重要的参数是晶体管的阈值电压，晶体管的阈值电压随温度的变化而漂移。

本发明实施例中，晶体管电路中的工作在亚阈区的晶体管可以是双极晶体管、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、碳纳米管场效应晶体管(NanoTube FET)、MOSFET器件等所有特性随温度变化的器件，其中，MOSFET器件亚阈区漏-源电流与栅-源电压和阈值电压之差成指数变化关系，MOSFET阈值电压的漂移会引起亚阈区的电流-电压关系显著漂移，因 此利用工作在亚阈区的MOSFET电路作为本发明实施例的晶体管电路是本发明实施例较优的选择。

进一步地，由于工作在亚阈区的MOSFET电路其电流较正常工作的MOSFET电路的电流小多个数量级，对亚阈区工作的MOSFET电路直接进行电流/电压检测很困难，其检测电路成本也很高，因此对亚阈区工作的MOSFET电路的检测直接检测其随温度变化的频率信号。

进一步地，工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器其每一级的充放电电流随温度变化，因此表征所述MOSFET环形振荡器的充放电速度的振荡频率也是随温度变化，由此可以使用环形振荡器的振荡频率表征感知的温度，即采用工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路作为工作在亚阈区的MOSFET电路。

进一步地，对工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路的振荡频率的表征可以利用一定时间段内的振荡周期数的计数进行表征，具体的，为了易于形成振荡，如图3所示，工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器由奇数个反相器组成，整个电路输出为Vout，输入为in，其中，每一级反相器的输出端连接下一级反相器的输入端，最后一级反相器的输出端连接在第一级反相器的输入端，在图3中第一个反相器的输入为in，输出为out，电源电压为vdd，MOSFET环形振荡器中每个反相器的电源电压相同均为vdd，并且vdd满足：大于3倍热电压Vr并小于阈值电压Vy，所述阈值电压Vy为每个反相器中P型MOSFET阈值电压Vthp绝对值，或者所述阈值电压Vy为每个反相器中N型MOSFET阈值电压Vthn绝对值，或者所述阈值电压Vy为每个反相器中P型MOSFET阈值电压Vthp绝对值与N型MOSFET阈值电压Vthn绝对值中的最小值。当然，对于由奇数个反相器组成亚阈区的MOSFET环形振荡器电路，电路中反相器的电源电压vdd如果大于2倍热电压Vr并小于阈值电压Vy也可以满足要求。

在本实施例中，转换电路可以为线性转换电路或非线性转换电路，转换电路还可以是用于实现非线性转换的多个线性转换电路。如图4所示实施例表示转换电路为线性转换电路，图5所示实施例表示转换电路为非线性转换电路，其中，线性转换电路可以由线性译码器实现，非线性转换电 路可以由非线性译码器实现。

进一步地，线性转换电路的基础是将计数器的单位时间内的计数值看作温度的线性函数，如图6中的近似直线所示，而实际上计数器的单位时间内的计数值是温度的非线性函数，如图6中的实际曲线所示。在线性转换电路下，单位时间内的计数值N1转换为对应温度T1’，而实际对应温度为T1，其误差是T1’-T1；单位时间内的计数值N2转换为对应温度T2’，而实际对应温度为T2,其误差是T2’-T2；单位时间内的计数值N3转换为对应温度T3’，而实际对应温度为T3,其误差是T3’-T3。

进一步地，非线性转换电路的基础是将计数器的单位时间内的计数值看作温度的非线性函数，如图7中的实际曲线所示。在非线性转换电路下，单位时间内的计数值N1转换为对应温度T1，而实际对应温度为T1，其误差为0；单位时间内的计数值N2转换为对应温度T2，而实际对应温度为T2，其误差为0；单位时间内的计数值N3转换为对应温度T3，而实际对应温度为T3，其误差为0。因此非线性转换电路较线性转换电路具有更高的转换精度。

更进一步地，完全的非线性转换在电路或软件从实现代价的角度讲是不可能，以多段线性转换逼近完全非线性转换，如图7所示，在多段线性转换下，单位时间内的计数值N1转换为对应温度T1，而实际对应温度为T1，其误差为0；单位时间内的计数值N2转换为对应温度T2，而实际对应温度为T2，其误差为0；单位时间内的计数值N3转换为对应温度T3，而实际对应温度为T3，其误差为0。因此以多段线性转换实现的非线性转换电路较线性转换电路具有更高的转换精度。

为了提高对工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路的检测精度，还可以增加分频电路，通过分频电路对温度检测系统信号的分频，得到高精度的温度数字信号。

如图8是本发明实施例温度检测系统的第四种结构示意图，与图4不同的是，图4所示结构示意图中增加了分频电路，其中，分频电路连接在晶体管电路与计数器之间，用于对所述频率信号进行分频。

在该实施例中，工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路输出表征温 度的频率随温度变化的信号；分频电路对所述频率随温度变化的信号进行分频，得到分频信号；计数器对所述分频信号进行计数，得到计数值；转换电路将所述计数值转换为表征温度的数字信号，从而实现低功耗的、面积小的、且检测精度高的全数字的温度检测电路。

为了提高数据转换精度，如图9是本发明实施例温度检测系统的第五种结构示意图，与图8不同的是，转换电路采用非线性转换器实现，以使温度检测系统具有更高的转换精度。

相应地，本发明实施例还提供了一种温度检测方法，如图10所示，是本发明实施例温度检测方法的一种流程图，包括以下步骤：

步骤101：利用工作在亚阈区的晶体管电路感知温度变化。

需要说明的是，所述晶体管电路可以是MOSFET环形振荡器电路。

进一步地，MOSFET环形振荡器电路可以由奇数个工作在亚阈区反相器组成。

步骤102：获取所述晶体管电路输出的频率随温度变化的信号。

步骤103：对所述频率随温度变化的信号进行计数，得到第一计数值。

步骤104：将所述第一计数值转换为表征温度的数字信号。

本实施例温度检测方法，通过工作在亚阈区的晶体管电路得到表征温度的频率信号，再通过对所述频率信号的计数与转换得到表征温度的数字信号，从而实现检测精度高的温度检测方法。

为了提高对工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路的检测精度，还可以增加对环形振荡器电路的分频，通过分频得到更高精度的温度数字信号。

如图11是本发明实施例温度检测方法的另一种流程图，与图10所示方法不同的是，增加了对亚阈区的晶体管电路分频，如图11所示方法包括以下步骤：

步骤201：利用工作在亚阈区的晶体管电路感知温度变化。

需要说明的是，所述晶体管电路可以是MOSFET环形振荡器电路。

进一步地，MOSFET环形振荡器电路可以由奇数个工作在亚阈区反相器组成。

步骤202：获取所述晶体管电路输出的频率随温度变化的信号。

步骤203：对所述频率随温度变化的信号进行分频，得到分频信号。

步骤204：对所述分频信号进行计数，得到第一计数值。

步骤205：将所述第一计数值转换为表征温度的数字信号。

本发明实施例提供的温度检测方法，利用工作在亚阈区的晶体管电路输出表征温度的频率随温度变化的信号，对所述频率随温度变化的信号进行分频后，得到分频信号；再通过对所述分频信号的计数与转换得到表征温度的数字信号，从而实现检测精度更高的温度检测方法。

综上所述，本发明实施例提供的温度检测系统及方法，利用工作在亚阈区的MOSFET环形振荡器电路输出表征温度的频率随温度变化的信号；利用分频电路对所述频率随温度变化的信号进行分频，得到分频信号；计数器对所述分频信号进行计数，得到计数值；转换电路将所述计数值转换为表征温度的数字信号，从而实现低功耗的、面积小的、且检测精度高的全数字的温度检测系统。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。