一种微功耗温度传感器的制作方法

本发明属于无线通信电子电路技术领域，尤其涉及一种微功耗温度传感器。

背景技术：

温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时的测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键器件是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：(1)传统的分立式温度传感器；(2)模拟集成温度传感器；(3)智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。

传统的温度传感器测量精度比较高，也能够覆盖较宽的温度范围，但比较成熟的技术都局限于有源温度传感器，对于无源无线温度传感器技术，目前市面上少有成熟技术见于市场。对于一些低成本、微功耗、宽工作范围、无源无线领域，目前已有的技术难以满足其需求。本发明提出了一种新颖的微功耗温度传感器，可以满足这种需求。本发明提出的温度传感器在无源无线、微功耗的情况下，与RFID技术向结合，实现了一种新颖的微功耗温度传感器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中的问题提供了一种微功耗温度传感器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种微功耗温度传感器，包含基准源、第一环形振荡器、第二环形振荡器、校准及计数器模块；

其中，所述基准源用于产生两个电压信号，其中，一个电压信号为恒温参考电压Vref，另一个电压信号为线性的与温度成反比电压Vbe，Vref输入到第一环形振荡器的输入端口，Vbe输入到第二环形振荡器的输入端口；

所述第一环形振荡器用于产生一组时钟频率固定的方波CLK_ref；

所述第二环形振荡器用于产生一组时钟频率随温度线性变化的方波CLK_tem；

所述校准及计数器模块用于将方波CLK_ref和方波CLK_tem转换为携带温度信息的温度码字，进而获取温度传感器所处环境的当前温度。

作为本发明一种微功耗温度传感器的进一步优选方案，所述第一环形振荡器包含第一比较器、三个第一反相器和第一充放电电路；所述三个第一反相器依次串联构成一个第一反相器组，第一比较器的正输入端连接基准源的参考电压Vref端，第一比较器的负输入端连接第一充放电电路的输出端，第一比较器的输出端连接第一反相器组的输入端，第一反相器组的输出端连接第一充放电电路的输入端，第一充放电电路的输出端用于产生一个尖峰脉冲信号，第一比较器的负输入端随着第一比较器的正输入端的电压变化使第一比较器的输出端产生一组周期性的脉冲信号，通过第一反相器组的整形之后，得到一组恒定时钟频率的方波信号。

作为本发明一种微功耗温度传感器的进一步优选方案，所述第二环形振荡器包含第二比较器、三个第二反相器和第二充放电电路；所述三个第二反相器依次串联构成一个第二反相器组，第二比较器的正输入端连接线性的与温度成反比电压Vbe端，第二比较器的负输入端连接第二充放电电路的输出端，第二比较器的输出端连接第二反相器组的输入端，第二反相器组的输出端连接第二充放电电路的输入端，第二充放电电路的输出端用于产生一个尖峰脉冲信号，第二比较器的负输入端随第二比较器的正输入端的电压变化使第二比较器的输出端产生一组周期性的脉冲信号，通过第二反相器组的整形之后，就可得到一组标准的携带温度信息的方波信号。

作为本发明一种微功耗温度传感器的进一步优选方案，所述第一充放电电路和第二充放电路均包含电流源、反相器和充放电电容；当第一充放电电路和第二充放电电路的输入端输入低电平时，反相器的PMOS管导通，电流源给充放电电容充电；当第一充放电电路和第二充放电电路的输入端输入高电平时，反相器的NMOS管导通，充放电电容放电，通过环振不断重复迭代产生一组时钟信号。

作为本发明一种微功耗温度传感器的进一步优选方案，所述校准及计数器模块包含校准模块、数字门电路、第一分频器、第二分频器和计数器；所述数字门电路包含第一或门、第二或门和第三或门，第一环形振荡器的输出端分别连接第一或门和第二或门的A1输入端，第二环形振荡器的输出端连接第三或门的A1输入端；第二反相器组的输出端连接第二或门的A2输入端，第二或门的输出端连接第一分频器的输入端，第一或门和第三或门的A2输入端分别连接第一分频器的输出端；第一或门的输出信号用于作为计数器的参考时钟，第三或门的输出信号用于作为第二分频器的输入信号，第二分频器的输出信号用于作为计数器的使能信号，该使能信号经过延时器后，用于作为传感器的使能信号。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明通过改变环形振荡器输入电压来改变振荡频率，与校准电路、计数器相结合的方式，实现一种新颖的微功耗温度传感器；

2、本发明所述的温度传感器通过调整各管子的参数，不仅使其具有更宽的工作范围(-40℃～85℃)，还使其在该范围内具有良好的线性度(最大误差±1℃)，较传统温度传感器，电路结构更加简单，面积更小，功耗更低，对于无源无线应用领域具有较大的优势。

附图说明

图1是本发明微功耗温度传感器方案框图；

图2是本发明微功耗温度传感器的电路图；

图3是本发明第一环形振荡器的电路图；

图4是本发明第二环形振荡器的电路图；

图5是本发明比较器的电路图；

图6是本发明充放电电路的电路图；

图7是本发明校准和计数电路电路图；

图8是本发明校准电路各端口时序图；

图9是本发明温度传感器输出码字和温度对应图；

图10是本发明温度传感器各温度误差图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种微功耗温度传感器，包含基准源、第一环形振荡器、第二环形振荡器、校准及计数器模块；其中，第一环形振荡器即为振荡器1，第二环形振荡器即为振荡器2，第一变频器即为变频器1，第二变频器即为变频器2；第一充放电电路和第二充放电电路电路结构相同。

其中，所述基准源用于产生两个电压信号，其中，一个电压信号为恒温参考电压Vref，另一个电压信号为线性的与温度成反比电压Vbe，Vref输入到第一环形振荡器的输入端口，Vbe输入到第二环形振荡器的输入端口；

所述第一环形振荡器用于产生一组时钟频率固定的方波CLK_ref；

所述第二环形振荡器用于产生一组时钟频率随温度线性变化的方波CLK_tem；

所述校准及计数器模块用于将方波CLK_ref和方波CLK_tem转换为携带温度信息的温度码字，经过处理得到温度传感器所处环境的当前温度。

所述第一环形振荡器包含第一比较器、三个第一反相器和第一充放电电路；所述三个第一反相器依次串联构成一个第一反相器组，第一比较器的正输入端连接基准源的参考电压Vref端，第一比较器的负输入端连接第一充放电电路的输出端，第一比较器的输出端连接第一反相器组的输入端，第一反相器组的输出端连接第一充放电电路的输入端，第一充放电电路的输出端用于产生一个尖峰脉冲信号，第一比较器的负输入端随着第一比较器的正输入端的电压变化使第一比较器的输出端产生一组周期性的脉冲信号，通过第一反相器组的整形之后，得到一组恒定时钟频率的方波信号。

作为本发明一种微功耗温度传感器的进一步优选方案，所述第二环形振荡器包含第二比较器、三个第二反相器和第二充放电电路；所述三个第二反相器依次串联构成一个第二反相器组，第二比较器的正输入端连接线性的与温度成反比电压Vbe端，第二比较器的负输入端连接第二充放电电路的输出端，第二比较器的输出端连接第二反相器组的输入端，第二反相器组的输出端连接第二充放电电路的输入端，第二充放电电路的输出端用于产生一个尖峰脉冲信号，第二比较器的负输入端随着正输入端变化使第二比较器的输出端产生一组周期性的脉冲信号，通过第二反相器组的整形之后，就可得到一组标准的携带温度信息的方波信号。

所述第一充放电电路和第二充放电路均包含电流源、反相器和充放电电容；当第一充放电电路和第二充放电电路的输入端输入低电平时，反相器的PMOS管导通，电流源给充放电电容充电；当第一充放电电路和第二充放电电路的输入端输入高电平时，反相器的NMOS管导通，充放电电容放电，通过环振不断重复迭代产生一组时钟信号。

所述校准及计数器模块包含校准模块、数字门电路、第一分频器、第二分频器和计数器；所述数字门电路包含第一或门、第二或门和第三或门，第一环形振荡器的输出端分别连接第一或门和第二或门的A1输入端，第二环形振荡器的输出端分别连接第三或门的A1输入端；第二反相器的输出端连接第二或门的A2输入端，第二或门的输出端连接第一分频器的输入端，第一或门和第三或门的A2输入端分别连接第一分频器的输出端；第一或门的输出信号用于作为计数器的参考时钟，第三或门的输出信号用于作为第二分频器的输入信号，第二分频器的输出信号用于作为计数器的使能信号，该使能信号经过延时器后，用于作为传感器的使能信号。

所述校准及计数器模块包含校准模块、数字门电路、第一分频器、第二分频器和计数器；所述数字门电路包含第一或门、第二或门和第三或门；第一环形振荡器的输出端口连接到校准模块第一或门OR1和第二或门OR2的输入端口A1上，第二环形振荡器的输出端口连接到校准模块第三或门OR3的输入端口A1上；第二或门OR2的输入端口A2连接到反相器的输出端口，第二或门OR2的输出端口连接到分频器1的输入端口，第一或门OR1、第三或门OR3的输入端口A2和反相器INV的输入端口连接到第一分频器的输出端口；第一或门OR1的输出信号作为计数器的参考时钟，第三或门OR3的输出信号作为第二分频器的输入信号，第二分频器的输出信号作为计数器的使能信号，该使能信号经过延时器后，作为传感器的使能信号。该使能信号的作用是：计数完成后关闭振荡器，达到节约功耗的目的。当两路振荡器信号通过该校准模块后，可消除由于振荡器振荡初期频率不稳引起的固有误差。

所述第一充放电电路和第二充放电路均包含电流源、反相器和充放电电容。第一充放电电路特征如下：第一环形振荡器的输出端口作为第一充放电电路的输入端口，当输入为低电平时，反相器的PMOS管导通，电流源给电容充电；当输入为高电平时，反相器的NMOS管导通，电容放电；反相器的输出端口连接到比较器的负端，通过环振不断重复迭代，就能产生一组时钟信号。第二充放电电路的特征和第一充放电电路相同，不予重复描述。

本发明采用两个环形振荡器单元并联的方式构成温度传感器的核心单元，两个环形振荡器均采用相同的电路结构来实现，对称结构的环形振荡器电路可以抵消部分由于工艺偏差引起的误差。环形振荡器输入端口的电压来自基准电路，该基准电路能够产生两个电压信号，一个为恒温参考电压Vref，另一个为线性的与温度成反比电压Vbe，Vref和Vbe分别输入到第一环形振荡器和第二环形振荡器的输入端口。振荡器工作时，第一环形振荡器产生一组时钟频率固定的方波CLK_ref，第二环形振荡器产生一组时钟频率随温度线性变化的方波CLK_tem，时钟信号CLK_ref和CLK_tem输入校准及计数器模块，即可得到一组携带温度信息的码字，该温度码经过算法处理即可得到温度传感器所处环境的当前温度。

本发明采用环形振荡器电路来实现从电压信号到时钟信号的转换，环形振荡器的电路由一个比较器、三个反相器、一个充放电电路构成，详细电路见图2。正输入端作为环形振荡器的输入端口，连接在比较器的输入端，由于负反馈作用，比较器的负输入端会随着正输入端变化而变化。

本发明采用第一环形振荡器电路产生的时钟信号作为参考时钟信号，第一环形振荡器电路由一个二级运放构成的比较器、反相器1、反相器2、反相器3和充放电电路组成，详细电路见图3。比较器的正输入端作为振荡器的输入端口，连接到基准的参考电压Vref端，比较器的负输入端连接到充放电电路的输出端，充电电路的输出端会产生一个尖峰脉冲信号，如图5所示，由于负反馈作用，比较器的负输入端会随着正输入端变化，使比较器的输出端产生一组周期性的脉冲信号，通过三个反相器整形之后，就可得到一组恒定时钟频率的方波信号。该环形振荡器的振荡频率受三个因素的，输入电压值Vref，充电电流I，充电电容C1，振荡器输出信号的周期近似为：

对于第一环形振荡器，输入电压值Vref在工作范围内保持恒定，充电电流I和电容C1也为定值，因此，可近似的认为第一环形振荡器的振荡周期保持不变，即振荡频率固定。由于工艺原因引起振荡频率的误差，可通过数字修调的方式进行校准。

本发明采用第二环形振荡器电路产生的时钟信号作为携带温度信息的时钟信号，第二环形振荡器电路由一个二级运放构成的比较器、反相器1、反相器2、反相器3和充放电电路组成，详细电路见图4。比较器的正输入端作为振荡器的输入端口，连接到线性的与温度成反比电压Vbe端，比较器的负输入端连接到充放电电路的输出端，充电电路的输出端会产生一个尖峰脉冲信号，详细电路见图6所示，由于负反馈作用，比较器的负输入端会随着正输入端变化，使比较器的输出端产生一组周期性的脉冲信号，通过三个反相器整形之后，就可得到一组标准的携带温度信息的方波信号。该环形振荡器的振荡频率也受三个因素的，输入电压值Vbe，充电电流I，充电电容C1，振荡器输出信号的周期近似为：

对于第二环形振荡器，输入电压值Vbe为一个线性的与温度成反比电压，充电电流I和电容C2为定值，因此，第二振荡器的振荡周期T2与Vbe呈一次函数的关系，可近似的认为第二环形振荡器的振荡周期T2也是线性的与温度成反比的。由于工艺原因引起振荡频率的误差，可通过数字修调的方式进行校准。

本发明采用的双输入单输出二级运放构成的比较器电路，详细电路见图5。该电路可以把正输入端电压变化转换为时钟周期的变化，即输入不同电压时，输出的时钟周期也不同，这就能使携带温度信息的电压信号转换为携带温度信息的方波信号。

本发明采用的充放电电路可以实现由标准时钟信号到尖峰脉冲信号的转换，为比较器能够正常工作提供保证，该电路包含一个由PM2和PM3构成的电流源，输入电流为I，一个由PM1和NM1构成的反相器，一个充放电电容，电容值为C，详细电路见图6。当输入时钟信号为低电平时，反相器的PM1管导通，此时给电容充电。为了实现温度传感器的微功耗特性，充电电流不能太大。为了实现环形振荡器频率的尽可能高，充电电容不能太大，太大容易造成充电时间过长，而导致频率的降低，但通过增加充电电流可以实现充电时间的缩短，但又会造成功耗上的浪费，因此电容和电流一对矛盾的存在，要实现性能上的最优，需要通过大量的仿真实验。当输入时钟信号为高电平时，PM1截止，NM1导通，此时电容放电，重复此过程即可完成从标准时钟信号到尖峰脉冲信号的转换。

本发明采用校准和计数电路，可以实现对环形振荡器振荡频率初始阶段频率不稳的校准，提高温度传感器的测量精度，校准和计数电路由数字门电路、分频器和计数器组成，详细电路见图7。校准电路的A端口和B端口分别连接到环形振荡器1和环形振荡器2的输出端，校准电路的输出端口E和F分别连接在计数器的in1和分频器2的输入端，校准电路各端口的时序图见图8。0时刻到t1时刻，环形振荡器的未开始工作，t1时刻之后，环形振荡器开始工作，经过一定的校准时间之后，环形振荡器的工作状态保持稳定，到达t2时刻，校准完成，把信号送入计数器，此刻，计数器开始工作。经过校准电路之后，CLK_ref输入计数器的in1端口，作为计数器的参考信号，携带温度信息的时钟CLK_tem输入到分频器2，经过一定的分频之后，输入到计数器的in2端口，作为计数器的计数使能信号，对于不同时钟周期的CLK_tem信号，分频之后会产生不同时长的使能信号，计算该时长内的CLK_ref方波的个数，即可得到该温度下的温度码的值。

由以上内容可知，CLK_ref的时钟周期为T1，CLK_tem的时钟周期为T2，假设分频器2的分频比为n，则计数器的计数值

由公式(1)、(2)可得

由于充电电流I相等，简化公式(4)如下：

对于第一环形振荡器和第二环形振荡器而言，C1、C2、Vref都是定量，因此

令：为常数

即可得如下结论：

N＝K*Vbe*2^n-1 (5)

从公式(5)中可知，与计数值N相关的变量只有Vbe，而Vbe随温度是线性变化的，所以N的值也是线性变化的，因此计数值N能够线性的体现出温度的变化。由于工艺原因引起计数值的部分不线性，可通过数字修调的方式进行校准。计数完成之后，经过一定时长的延迟，产生一个使能信号EN，去关闭环形振荡器，以达到节约功耗的目的。

该微功耗温度传感器的实施效果图如图9、图10所示，图9中横轴为温度，纵轴为温度码，图10中横轴为温度，纵轴为误差。通过该结果可知，本发明涉及的微功耗温度传感器电路具有较好的线性度，误差较小。

上面的实施结果表明：本发明的一种新颖的微功耗温度传感器具有结构简单、面积小、功耗低、范围宽、精度高等特点。本发明的涉及的微功耗温度传感器可嵌入到RFID标签中，实现无源无线的温度传感器。