专利名称：具有双精度工作模式的可编程cmos温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路技术领域，特别是一种具有双精度工作模式的可编程CMOS 温度传感器。该温度传感器可应用于具有低功耗需求的芯片电路系统，如无源超高频RFID 标签芯片系统。
背景技术：
在无源超高频RFID标签芯片里嵌入各种传感器，将既可以实现传统的无线身份识别功能，又可以实现各种传感数据的自动采集、记录和传输，这种标签也可认为是具有身份识别功能的无源无线传感器节点。传感器技术与RFID技术的结合将可以增强传统标签的功能，拓展RFID标签的应用范围。在嵌入温度传感器的无源无线传感器节点或者有温度测量需求的无源超高频 RFID标签中，通常要求芯片具有较高的能量效率，较低的功耗和较低的测试成本。这就要求所设计的温度传感器在满足测量精度的同时具有较低的功耗，较小的面积且只需在一个温度点处校准。由于无源超高频RFID标签芯片是通过吸收阅读器发射的电磁波进行工作的，这要求嵌入的温度传感器必须具有较高的能量效率和较低的功耗，因此大部分标签中的温度传感器都采用了时域-数字转换器(Time-to-Digital Converter, TDC)电路来代替传统温度传感器中的高能耗ADC电路。这类温度传感器的特点是具有极低的功耗，但缺点是测量精度较差，误差较大且抗共模噪声的能力较弱，此外还需要在两个温度点校准，大大增加了测试的成本。而嵌入ADC电路的温度传感器的特点是测量精度较高，误差较小，且只需要在一个温度点处校准，由于可采用多种提高电路匹配的技术及差分电路结构，其抗噪声和共模干扰的能力也较强。因此，为了同时达到较高的温度测量性能，较低的功耗和较低的测试成本，需要设计一种含有ADC电路且具有低功耗特点的温度传感器。
发明内容
(一)要解决的技术问题在温度传感器的应用中，针对不同的测温范围，一般其测温要求是不一样的。通常来说，对于较小的温度测量范围，传感器的精度要求一般较高，这要求传感器具有较高的温度测量分辨率和较小的测量误差。而对于较宽的温度测量范围，传感器的精度要求一般可以适当降低，这就降低了传感器的分辨率和测量误差的要求。因此本发明利用了上述应用特点，提供了一种嵌入ADC的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器。该温度传感器具有双精度的工作模式，降低了传感器的功耗，也减小了芯片的面积。此外，该传感器还具有测试精度高，校准成本低的特点，适合于使用在无源超高频RFID标签芯片中。
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(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，该温度传感器包括传感器前端电路、双精度sigma-deltaADC和控制电路，其中传感器前端电路，用于在控制电路产生的控制信号的作用下产生与温度相关的电压信号，并将该与温度相关的电压信号输出给双精度sigma-delta ADC ；双精度sigma-delta ADC，用于在控制电路产生的控制信号的作用下将该与温度相关的电压信号转变为包含有温度信息的数字输出信号；控制电路，用于协调传感器前端电路和双精度sigma-delta ADC的工作， 并产生动态匹配、斩波和工作模式选择所需的控制信号。上述方案中，所述传感器前端电路由电流大小为nlb的电流源偏置的第一 PNP双极型晶体管Oi1)和电流大小为Ib的电流源偏置的第二 PNP双极型晶体管(Q2)构成，其中第一 PNP双极型晶体管Oi1)的基极与发射极之间的电压差为Vbei，第二 PNP双极型晶体管 (Q2)的基极与发射极之间的电压差为VBE2。上述方案中，所述双精度sigma-delta ADC包括双精度sigma-delta调制器、抽取滤波器和时钟信号发生器，其中sigma-delta调制器，用于将所述与温度相关的电压信号调制成数据位宽为Ibit的数据流，并输出给抽取滤波器；抽取滤波器，用于将所述数据位宽为Ibit的数据流转变为数据位宽为IObit含有温度信息的数字输出信号；时钟信号发生器，用于给sigma-delta调制器提供时钟信号。上述方案中，所述sigma-delta调制器还用于实现温度传感器两种工作模式的切换，该两种工作模式为低精度工作模式和高精度工作模式。所述sigma-delta调制器将由所述与温度相关的电压信号Vbei和Vbe2及可编程的整数A，B所产生的信号η = (X-B)/ (A-B)转换为包含温度信息的数字信号，其中X = Vbe/AVbe，Vbe = Vbei或Vbe2，AVbe = Vbei-Vbe2，Α，Β为可编程的整数且A > B。在低精度工作模式下A-B取较大的值，在高精度工作模式下A-B取较小的值，通过改变A-B的值实现温度传感器测温范围的可编程。上述方案中，所述sigma-delta调制器包括积分器、带时钟输入端口的比较器和1 位DAC，其中比较器根据积分器的输出电压在每个时钟周期输出1位数据，当输出的数据为 1时，该sigma-delta调制器将A Δ Vbe WVbe中减去后将差值输入积分器；当输出数据为0 时，该sigma-delta调制器将B Δ Vbe从Vbe中减去后将差值输入积分器。所述sigma-delta调制器采用全差分的开关电容电路实现，该全差分电路包含两组采样电容。所述sigma-delta 调制器中的积分器为两级积分器，在所述两级积分器的的第一级积分器中，Vbei，Vbe2和电路的“地”通过开关电路选择性的与采样电容中的一个端口相连接。在第一级积分器的其中一组采样电容中在采样模式下，Vbe2通过开关电路选择性的与采样电容相连接；在积分模式下，电路的“地”通过开关电路与采样电容中的一个电容相连接，Vbei通过开关电路选择性的与采样电容中的其他电容相连接。(三)有益效果从上述技术方案中可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提供的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，具有双精度的工作模式，因此降低了对传感器中ADC的分辨率要求，简化了 ADC电路的设计，降低了 ADC 的功耗，加快了 ADC的转换速度，从而降低了传感器的整体功耗，减小了芯片的面积。2、本发明提供的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，包含了 ADC电路，因此便于采用各种成熟的技术将ADC所引入的测量误差降低到可以忽略的水平，使得只需在一个温度点处对传感器进行校准就能达到测量的要求，降低了芯片测试的成本。3、本发明提供的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，在ADC电路中使用了全差分的开关电容电路，因此便于采用各种成熟的技术来降低ADC电路所引入的误差，提高传感器抗共模噪声的能力。4、本发明提供的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，在调制器中实现了两种工作模式的切换且具有良好的可编程特性，使得传感器的温度测量方式更加灵活。
下面结合附图及实施例对本发明作详细说明图1为依照本发明实施例的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器的结构示意图。图2是依照本发明实施例的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器中用于产生随温度变化的电压信号的传感器前端电路的示意图。图3为本发明所提出sigma-delta调制器的典型实施例在低精度模式下的工作原理图。图4为本发明所提出sigma-delta调制器的典型实施例在高精度模式下的工作原理图。图5是本发明所提出sigma-delta调制器的典型电路实现方式。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。为了使得温度传感器达到可靠及良好的温度测量性能，通常需要在其中嵌入ADC 电路，而为了尽可能降低ADC电路的功耗，本发明提出了一种具有双精度工作模式的温度传感器，降低了对ADC电路的分辨率要求，可以在满足测量要求的同时简化电路设计，降低传感器功耗。该温度传感器电路适合于在有低功耗需求的无源超高频电子标签芯片中使用。本发明提供的这种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，该温度传感器包括了两种工作模式低精度工作模式和高精度工作模式。在低精度工作模式下，其测量温度范围较宽，测量分辨率较低，测量误差较大；在高精度工作模式下，其测量温度范围较小，测量分辨率较高，测量误差较小。在这两种工作模式下，其测温范围均可编程，通过这种独特的双精度工作模式，降低了对传感器对ADC分辨率的要求，从而节省了功耗。该温度传感器在一个温度点处校准后即可正常工作，当在多个温度点处校准后，其测量误差可进一步减小。图1为依照本发明实施例的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器的结构示意图。它主要由基于衬底PNP管的传感器前端电路1，双精度sigma-delta ADC 2和控制电路组成3。传感器前端电路主要用于产生与温度相关的电压信号；双精度sigma-deltaADC负责将与温度相关的电压信号转变为包含有温度信息的数字信号；控制电路主要用于协调各个电路模块的工作并负责产生动态匹配、斩波和工作模式选择等操作所需的控制信号。其中双精度sigma-delta ADC由双精度sigma-delta调制器4，抽取滤波器5和时钟信号发生器6组成。其中sigma-delta调制器主要负责将与温度相关的电压信号调制成数据位宽为Ibit的数据流，该数据流经过抽取滤波器后转变为数据位宽为IObit含有温度信息的数字输出信号。时钟信号发生器主要负责给sigma-delta调制器提供各种时钟信号。图2给出了依照本发明实施例的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器中用于产生随温度变化的电压信号的传感器前端电路的示意图。该传感器前端电路由电流大小分别为nlb和Ib的两个电流源所分别偏置的两个PNP双极型晶体管％和％组成，其中晶体管A和A的基极和发射极之间的电压差分别为Vbei和vBE2。对于PNP管，其BE结的电压差Vbe可以表示为
权利要求
1.一种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，该温度传感器包括传感器前端电路、双精度sigma-delta ADC和控制电路，其中传感器前端电路，用于在控制电路产生的控制信号的作用下产生与温度相关的电压信号，并将该与温度相关的电压信号输出给双精度sigma-delta ADC ；双精度sigma-delta ADC，用于在控制电路产生的控制信号的作用下将该与温度相关的电压信号转变为包含有温度信息的数字输出信号；控制电路，用于协调传感器前端电路和双精度sigma-delta ADC的工作，并产生动态匹配、斩波和工作模式选择所需的控制信号。
2.根据权利要求1所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述传感器前端电路由电流大小为nlb的电流源偏置的第一 PNP双极型晶体管Oi1)和电流大小为Ib的电流源偏置的第二 PNP双极型晶体管(Q2)构成，其中第一 PNP双极型晶体管Oi1)的基极与发射极之间的电压差为Vbei，第二 PNP双极型晶体管( )的基极与发射极之间的电压差为￥皿2。
3.根据权利要求1所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述双精度sigma-delta ADC包括双精度sigma-delta调制器、抽取滤波器和时钟信号发生器，其中sigma-delta调制器，用于将所述与温度相关的电压信号调制成数据位宽为Ibit的数据流，并输出给抽取滤波器；抽取滤波器，用于将所述数据位宽为Ibit的数据流转变为数据位宽为IObit含有温度信息的数字输出信号；时钟信号发生器，用于给sigma-delta调制器提供时钟信号。
4.根据权利要求3所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述sigma-delta调制器还用于实现温度传感器两种工作模式的切换，该两种工作模式为低精度工作模式和高精度工作模式。
5.根据权利要求3所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述sigma-delta调制器将由所述与温度相关的电压信号Vbei和Vbe2及可编程的整数 A，B所产生的信号η = (X-B)/(A-B)转换为包含温度信息的数字信号，其中X = VBE/Δ VBE， VBE = Vbei 或 VBE2，Δ VBE = VBEI-Vbe2，Α，B 为可编程的整数且 A > B。
6.根据权利要求5所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，在低精度工作模式下A-B取较大的值，在高精度工作模式下A-B取较小的值，通过改变 A-B的值实现温度传感器测温范围的可编程。
7.根据权利要求3所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述sigma-delta调制器包括积分器、带时钟输入端口的比较器和1位DAC，其中比较器根据积分器的输出电压在每个时钟周期输出1位数据，当输出的数据为1时，该 sigma-delta调制器将A Δ Vbe WVbe中减去后将差值输入积分器；当输出数据为0时，该 sigma-delta调制器将B Δ Vbe从Vbe中减去后将差值输入积分器。
8.根据权利要求7所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述sigma-delta调制器采用全差分的开关电容电路实现，该全差分电路包含两组采样电容。
9.根据权利要求8所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，所述sigma-delta调制器中的积分器为两级积分器，在所述两级积分器的第一级积分器中，Vbei，Vbe2和电路的“地”通过开关电路选择性的与采样电容中的一个端口相连接。
10.根据权利要求9所述的具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，其特征在于，在所述sigma-delta调制器的第一级积分器中的其中一组采样电容中在采样模式下， Vbe2通过开关电路选择性的与采样电容相连接；在积分模式下，电路的“地”通过开关电路与采样电容中的一个电容相连接，Vbei通过开关电路选择性的与采样电容中的其他电容相连接。
全文摘要
本发明公开了一种具有双精度工作模式的可编程CMOS温度传感器，包括传感器前端电路，用于在控制电路产生的控制信号的作用下产生与温度相关的电压信号，并将该与温度相关的电压信号输出给双精度sigma-delta ADC；双精度sigma-delta ADC，用于在控制电路产生的控制信号的作用下将该与温度相关的电压信号转变为包含有温度信息的数字输出信号；控制电路，用于协调传感器前端电路和双精度sigma-delta ADC的工作，并产生动态匹配、斩波和工作模式选择所需的控制信号。该温度传感器包括两种工作模式低精度工作模式和高精度工作模式。在这两种工作模式下，其测温范围均可编程，通过这种独特的双精度工作模式，降低了对传感器对ADC分辨率的要求，从而节省了功耗。
文档编号G01K7/01GK102435336SQ201110306248
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者冯鹏, 吴南健 申请人:中国科学院半导体研究所