一种电阻型温度传感芯片的制作方法
【专利说明】-种电阻型溫度传感巧片 【技术领域】
[0001] 本发明设及模拟集成电路设计领域，特别设及一种全集成的电阻型溫度传感忍 片。 【【背景技术】】
[0002] 溫度是最普遍的环境变量，溫度传感器在很多场合都是非常重要的。溫度传感忍 片具备能用标准CMOS工艺制造、易于集成、功耗低、体积小等特性，被广泛地应用于各种领 域，如消费电子、可穿戴式设备、无线射频识别标签等。
[0003] 典型的溫度传感忍片利用Ξ极管结电压的溫度特性来进行设计。但是由于需要高 电源电压W使Ξ极管正常工作，此类设计不适合不断发展的深亚微米CMOS工艺。鉴于CMOS 工艺中的片上电阻在宽溫度范围内具备很好的溫度线性度，电阻型设计正成为溫度传感忍 片的主流。目前的电阻型溫度传感忍片中，系统架构复杂，且大多需要一个准确的片外时钟 源来作为参考时钟，然而对于很多无线微系统的应用，系统往往不提供准确时钟，因此，能 集成片上时钟源的溫度传感忍片非常重要。 【
【发明内容】
】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种电阻型溫度 传感忍片，集成有片上时钟源，无需依赖外部时钟源，且整体电路结构简单。
[0005] 本发明的技术问题通过W下的技术方案予W解决：
[0006] -种电阻型溫度传感忍片，包括溫度感测电路、时间转换电路、参考时钟产生电路 和数字转换电路;所述溫度感测电路中包括感测电阻，输出感测电阻上的电流和电压信息； 所述时间转换电路用于接收所述电流、电压信息，根据所述电流、电压信息转换得到随溫度 线性变化的时间信息;所述参考时钟产生电路用于产生随溫度线性变化的参考时钟信号； 所述数字转换电路用于接收所述参考时钟信号和所述时间信息，将所述时间信息相对于所 述参考时钟信号进行数字量化，输出数字量化值。
[0007] 本发明与现有技术对比的有益效果是：
[000引本发明的电阻型溫度传感忍片，通过溫度感测电路、时间转换电路、参考时钟产生 电路和数字转换电路的设置，在溫度感测电路中，感测电阻中的电流及电压（I、V)被提取出 来，运些电流及电压输入到时间转换电路中，输出随溫度线性变化的时间信息值。时间信息 值被数字转换电路量化，得到最终的数字输出D(T)。电路中需用到的参考时钟信号 (clkref)由参考时钟产生电路产生，且随溫度线性变换，适用于溫度传感忍片所需要的线 性环境。本发明的电阻型溫度传感忍片，整体结构设计简单，且集成有输出稳定的或者随溫 度线性变化的参考时钟信号的参考时钟产生电路，可不依赖外部时钟源，集成度高。 【【附图说明】】
[0009]图1是本发明【具体实施方式】的电阻型溫度传感忍片的结构示意图；
[0010] 图2是本发明【具体实施方式】的电阻型溫度传感忍片中设置为两路信号时的结构示 意图；
[0011] 图3是本发明【具体实施方式】的参考时钟产生电路的结构示意图。
[0012] 图4是本发明【具体实施方式】的参考时钟产生电路中的反相器的等效结构示意图；
[0013] 图5是本发明【具体实施方式】的参考时钟产生电路工作时开关管的控制端栅极电极 W及电容两端的电压的波形示意图；
[0014] 图6是本发明【具体实施方式】的参考时钟产生电路的优选结构示意图；
[0015] 图7是本发明【具体实施方式】的开关时钟产生电路的结构示意图；
[0016] 图8是本发明【具体实施方式】的溫度感测电路和参考电压产生电路的结构示意图；
[0017] 图9是本发明【具体实施方式】的时间转换电路的结构示意图；
[0018] 图10是本发明【具体实施方式】的时间转换电路得到的时间信号的时序图；
[0019] 图11是本发明【具体实施方式】的数字转换电路的结构示意图。 【【具体实施方式】】
[0020] 下面结合【具体实施方式】并对照附图对本发明做进一步详细说明。
[0021] 如图1所示，本【具体实施方式】的电阻型溫度传感忍片包括溫度感测电路100、时间 转换电路200、参考时钟产生电路300和数字转换电路400。溫度感测电路100中包括感测电 阻，用于提取感测电阻中的电流和电压信息，输出至时间转换电路200。时间转换电路200用 于接收感测电阻中的电流和电压信息，根据电流和电压信息转换得到随溫度线性变化的时 间信息。参考时钟产生电路300用于产生随溫度线性变化的参考时钟信号(dkref)。数字转 换电路400用于接收所述参考时钟信号（clkref)和所述时间信息，将所述时间信息相对于 所述参考时钟信号（dkref)进行数字量化，输出数字量化值D(T)。该数字量化值D(T)正比 于所量化的时间信息，而时间信息是基于感测电阻随溫度线性变化，因此数字量化值D(T) 即是随溫度线性变化的，可用于溫度传感检测。
[0022] 具体地，溫度感测电路100、时间转换电路200中可设置为围绕一路感测电阻的溫 度感测电路和时间转换电路。运样，提取一路感测电阻的电压、电流信息后，转换得到一个 时间信息，再由数字转换电路400基于一参考时间信号，将上述得到的一个时间信息进行数 字量化处理。优选地，设置两路感测电阻、提取两路感测电路的电压、电流信息，转换后得到 两个时间信息，从而数字转换电路中可W差分处理，W消除两个时间信息中的相同项，对两 个时间信息的差值进行数字量化输出。运样，通过设置两路信号，从而差分处理后降低忍片 中的噪声，提高数字输出的线性度。如图2所示，为设置两路信号时的结构示意图。如下，将 针对各电路模块分别详细说明。
[0023] 参考时钟产生电路300
[0024] 对于参考时钟产生电路的设计，要求其产生稳定的或者随溫度线性变换的时钟信 号。一般的电感电容化C)振荡器，其产生稳定的时钟信号，可W用于此，但其需占用较大忍 片面积。本【具体实施方式】中，采用如图3所示的参考时钟产生电路，其为专口设计的环形振 荡器，通过开关管、电阻、电容W及两个反相器的连接改进，且开关管的导通电阻值远小于 电阻的阻值，第一反相器的输入信号下降沿的阔值电压随溫度线性变化，且线性变化的比 例系数很小，从而振荡器工作产生的振荡频率随溫度的变化近似为线性变化，且线性变化 的系数接近或者等于0,远小于1，从而振荡频率不随溫度变化或者仅随溫度小幅度地线性 变化，可应用作为参考时钟产生电路，且电路结构简单，占用忍片面积较小。
[0025]图3所示的参考时钟产生电路为环形振荡器，包括PM0S开关管MP、电阻R、电容C、第 一反相器invl、第二反相器inv2。其中，开关管MP的第一端连接电源VDD的输出端，第二端连 接电阻R的第一端、电容C的第一端W及第一反相器invl的输入端，电阻R的第二端与电容C 的第二端相连后接地，第一反相器invl的输出端连接第二反相器inv2的输入端，第二反相 器inv2的输出端连接开关管MP的控制端。PM0S开关管MP的导通电阻值远小于电阻R的阻值。 [00%]第一反相器或者第二反相器的内部结构如图4所示，实现方式是一个PM0S开关管 S2连接一个醒0S开关管S3。该实现方式下，第一反相器的输入信号下降沿的阔值电压即为 PM0S开关管S2的阔值电压Vthp，而PM0S开关管S2的阔值电压Vthp随溫度线性变化的表达式 为：Vthp(T) = Vthpo-a (Τ-Το)，其中，T日为25 °C，Vthp日为25°C时PM0S开关管S2的阔值电压，α在 (0.5~3)mV/°C的范围内。通过该实现方式，借助于PM0S开关管S2的阔值电压随溫度线性变 化，获得了第一反相器的输入信号下降沿的阔值电压随溫度线性变化，且线性变化的比例 系数在(0.5~3)mV/°C的范围内的目标。该实现方式结构简单，成本低。当然，其余可实现第 一反相器的阔值电压的上述目标的方式，均可应用到方案中。
[0027]上述环形振荡器工作时，PM0S开关管MP的控制端栅极电极Vpc，W及电容C两端的电 压Vcmt的波形图如图5所示。时钟周期tcdk由上升时间tclkl和下降时间tclk2两部分组成。工作 原理如下：
[002引第一阶段：当开关管MP的控制端栅极电压Vpc低于(VDD-Vth_mp)时(Vth_mp为开关 管MP的阔值电压），开关管MP导通，电容C的电压将被充电至VDD。由于电容C的电压Vout为高 电平，经过invl和inv2两个反相器，栅极电极Vp。将由低电平变化至高电平VDD，从而开关管 MP被关断。
[0029] 在对电容充电过程中，电容C的充电时间正比于C*Rx，fcc为等效电阻。在电路中，Rx 为开关管MP的导通电阻并联电阻R后的阻值。而由于电路中开关管MP的导通电阻足够小(远 小于电阻R的阻值），因此，等效电阻Rx就很小，则将电容C两端的电压充电至VDD的时间会很 短暂，时钟周期中的上升时间tciki很小，从而可远远小于时间常数RC，即有
[0030] tciki<<RC (Do
[0031] 优选地，第一反相器invl和第二反相器inv2的内部延时时间远小于时间常数RC， 其中，R表示所述电阻的阻值;C表示所述电容的容值。由于两个反相器的内部延时也是时钟 周期的一部分，将反相器延时设计得远小于时间常数RC，可尽可能地减小反相器延时在整 个时钟周期中的比重，从而尽可能减小上升时间tciki，有助于使其远远小于时间常数RC，便 于在后续做简化省略。
[0032] 进一步优选