一种CMOS温度传感器及其传感方法与流程

本发明涉及应用于CMOS工艺中超低功耗温度传感器模块，具体是一种CMOS温度传感器及其传感方法。

背景技术：

温度传感器作为监控芯片工作温度的重要组件，在CMOS工艺中已经有很多实现方式。为了精确地测量温度，首先要求温度传感器能够方便地进行校准以克服工艺偏差；其次要求温度传感器消耗最低的功率以免引起温度波动。

传统的温度传感器一般通过数模转换器测量pn结电压的方式来监控温度，这种类型的传感器功率较大且校准复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种CMOS温度传感器及其传感方法，本发明的CMOS温度传感器具有超低的功耗和易于校准的特点，提高了温度测量结果的精度。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，

一种CMOS温度传感器，其特征在于包括温度传感器核心模块、环形振荡器模块和二进制计数器，其中温度传感器核心模块负责将芯片温度信号转为对应的电压信号，其次环形振荡器负责将电压信号转为对应的频率信号，最后二进制计数器负责将频率信号转为数字信号。

一种CMOS温度传感器，其特征在于包含温度传感电压生成器、参考电压生成器、第一环形振荡器、第二环形振荡器、第一二进制计数器和第二二进制计数器；其中温度传感电压生成器生成输出电压信号V_sense，参考电压生成器生成与温度无关的电压V_ref，输出电压信号V_sense和与温度无关的电压V_ref分别控制第一环形振荡器和第二环形振荡器生成相应频率的与温度相关的时钟信号F_sense和与温度无关的时钟信号F_ref，与温度相关的时钟信号F_sense和与温度无关的时钟信号F_ref分别经过第一二进制计数器和第二计数器生成与温度相关的温度计码D_sense和与温度无关的温度计码D_ref，与温度相关的温度计码D_sense和与温度无关的温度计码位D_ref的位宽分别为16位和10位；第二二进制计数器向第一二进制计数器输出停止电压信号V_stop。

所述温度传感电压生成器包含第一MOS管M₁和第二MOS管M₂，其中第一MOS管M₁的源极接地，第二MOS管M₂的漏极接电源，第一MOS管M₁的栅极和漏极与输出电压信号V_sense相连，第二MOS管M₂的栅极和源极与输出电压信号V_sense相连。

所述参考电压生成器包含第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃和第四MOS管M₄，其中第一MOS管M₁的源极接地，其栅极和漏极与第二MOS管M₂的源极相连，第四MOS管M₄的源极接电源，其栅极和漏极与第三MOS管M₃的源极相连，第二MOS管M₂的栅极和漏极均和与温度无关的电压V_ref相连第三MOS管M₃的栅极和漏极均和与温度无关的电压V_ref相连。

所述电压转电流模块包括第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃、第四MOS管M₄、第一运算放大器A₁、第二运算放大器A₂、第一电阻R₁；其中第一MOS管M₁的源极接地，第一MOS管M₁的栅极和漏极、第二MOS管M₂的漏极均分别与第一输出信号V_rn相连，第二MOS管M₂的栅极与第一运算放大器A₁的输出相连，第二MOS管M₂的源极与A₁的负输入端和第一电阻R₁的负极相连，第一电阻R₁的正极与第二运算放大器A₂的正输入端和第二MOS管M₃的漏极相连，第三MOS管M₃的栅极与第二运算放大器A₂的输出相连，第四MOS管M₄的栅极和漏极、第三MOS管M₃的源极均与第二输出信号V_rp相连，第四MOS管M₄的源极接电源，传感电压生成器接在第一运算放大器A₁的负输入端和第二运算放大器A₂的负输入端之间。

所述环形振荡器包含第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃、第四MOS管M₄、第五MOS管M₅、第六MOS管M₆、第七MOS管M₇、第八MOS管M₈、第九MOS管M₉、第十MOS管M₁₀、第十一MOS管M₁₁、第十二MOS管M₁₂、第十三MOS管M₁₃、第十四MOS管M₁₄和第十五MOS管M₁₅；其中第一MOS管M₁的源极接地，其栅极接时钟输出信号V_clock，第一MOS管M₁的漏极与第二MOS管M₂的源极相连，第二MOS管M₂的栅极接起始输入信号V_start，第二MOS管M₂的漏极与第三MOS管M₃的漏极、第四MOS管M₄的漏极、第五MOS管M₅的漏极和第六MOS管M₆的漏极分别相连，第三MOS管M₃的栅极接起始输入信号V_start，第三MOS管M₃的源极接电源；M₃的栅极接时钟输出信号V_clock，源极接电源。M₅、M₉和M₁₄的栅极均接第一输入信号V_rn，第六MOS管M₆、第十MOS管M₁₀和第十五MOS管M₁₅的栅极均分别接第二输入信号V_rp，第七MOS管M₇和第十二MOS管M₁₂的源极均接地，第八MOS管M₈和第十三MOS管M₁₃的源极均接电源，第五MOS管M₅的源极、第六MOS管M₆的源极、第七MOS管M₇的栅极和第八MOS管M₈的栅极相互连接，第七MOS管M₇的漏极、第八MOS管M₈的漏极、第九MOS管M₉的漏极和第十MOS管M₁₀的漏极相互相连，第九MOS管M₉的漏极和第十MOS管M₁₀的漏极经过偶数个重复单元后与第十二MOS管M₁₂的栅极和第十三MOS管M₁₃的栅极相互相连，第十二MOS管M₁₂的漏极、第十三MOS管M₁₃的漏极、第十四MOS管M₁₄的漏极和第十五MOS管M₁₅的漏极相互相连，第四MOS管M₁₄的源极和第十五MOS管M₁₅的源极分别与时钟输出信号V_clock相连。

一种利用如权利要求1至6所述的CMOS温度传感器的传感方法，其特征在于包括以下步骤：

当起始输入信号V_start信号由低电平变为高电平后，温度传感电压生成器和参考电压生成器开始工作，生成输出电压信号V_sense和与温度无关的电压V_ref，分别控制第一二进制计数器和第二二进制计数器开始振荡输出与温度相关的时钟信号F_sense和与温度无关的时钟信号F_ref，第一二进制计数器和第二二进制计数器分别累加与温度相关的时钟信号F_sense和与温度无关的时钟信号F_ref的周期数，当第二二进制计数器计满溢出时，停止电压信号V_stop由低电平变为高电平，第一二进制计数器停止计数；此时第一二进制计数器输出的与温度相关的温度计码D_sense送至数字信号处理器(DSP)，经过数字信号处理器(DSP)校准即可得到当前芯片的工作温度。

还包括以下步骤：

当起始输入信号V_start信号为低电平时，温度传感电压生成器、参考电压生成器、第一环形振荡器和第二环形振荡器处于关闭状态，第一二进制计数器和第二二进制计数器处于复位清零状态。

本发明的有益效果是：

本发明的CMOS温度传感器具有超低的功耗和易于校准的特点，提高了温度测量结果的精度。

附图说明

图1所示的是本发明中CMOS温度传感器的原理框图。

图2所示的是本发明中CMOS温度传感器的电路图

图3所示的是本发明中温度传感电压生成器。

图4所示的是本发明中参考电压生成器。

图5所示的是本发明中电压转电流模块。

图6所示的是本发明中环形振荡器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一。

一种CMOS温度传感器，其特征在于包括温度传感器核心模块、环形振荡器模块和二进制计数器，其中温度传感器核心模块负责将芯片温度信号转为对应的电压信号，其次环形振荡器负责将电压信号转为对应的频率信号，最后二进制计数器负责将频率信号转为数字信号。

实施例二。

一种CMOS温度传感器，其特征在于包含温度传感电压生成器、参考电压生成器、第一环形振荡器、第二环形振荡器、第一二进制计数器和第二二进制计数器；其中温度传感电压生成器生成输出电压信号V_sense，参考电压生成器生成与温度无关的电压V_ref，输出电压信号V_sense和与温度无关的电压V_ref分别控制第一环形振荡器和第二环形振荡器生成相应频率的与温度相关的时钟信号F_sense和与温度无关的时钟信号F_ref，与温度相关的时钟信号F_sense和与温度无关的时钟信号F_ref分别经过第一二进制计数器和第二计数器生成与温度相关的温度计码D_sense和与温度无关的温度计码D_ref，与温度相关的温度计码D_sense和与温度无关的温度计码位D_ref的位宽分别为16位和10位；第二二进制计数器向第一二进制计数器输出停止电压信号V_stop。

所述温度传感电压生成器包含第一MOS管M₁和第二MOS管M₂，其中第一MOS管M₁的源极接地，第二MOS管M₂的漏极接电源，第一MOS管M₁的栅极和漏极与输出电压信号V_sense相连，第二MOS管M₂的栅极和源极与输出电压信号V_sense相连。

所述参考电压生成器包含第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃和第四MOS管M₄，其中第一MOS管M₁的源极接地，其栅极和漏极与第二MOS管M₂的源极相连，第四MOS管M₄的源极接电源，其栅极和漏极与第三MOS管M₃的源极相连，第二MOS管M₂的栅极和漏极均和与温度无关的电压V_ref相连第三MOS管M₃的栅极和漏极均和与温度无关的电压V_ref相连。

所述电压转电流模块包括第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃、第四MOS管M₄、第一运算放大器A₁、第二运算放大器A₂、第一电阻R₁；其中第一MOS管M₁的源极接地，第一MOS管M₁的栅极和漏极、第二MOS管M₂的漏极均分别与第一输出信号V_rn相连，第二MOS管M₂的栅极与第一运算放大器A₁的输出相连，第二MOS管M₂的源极与A₁的负输入端和第一电阻R₁的负极相连，第一电阻R₁的正极与第二运算放大器A₂的正输入端和第二MOS管M₃的漏极相连，第三MOS管M₃的栅极与第二运算放大器A₂的输出相连，第四MOS管M₄的栅极和漏极、第三MOS管M₃的源极均与第二输出信号V_rp相连，第四MOS管M₄的源极接电源，传感电压生成器接在第一运算放大器A₁的负输入端和第二运算放大器A₂的负输入端之间。

所述环形振荡器包含第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃、第四MOS管M₄、第五MOS管M₅、第六MOS管M₆、第七MOS管M₇、第八MOS管M₈、第九MOS管M₉、第十MOS管M₁₀、第十一MOS管M₁₁、第十二MOS管M₁₂、第十三MOS管M₁₃、第十四MOS管M₁₄和第十五MOS管M₁₅；其中第一MOS管M₁的源极接地，其栅极接时钟输出信号V_clock，第一MOS管M₁的漏极与第二MOS管M₂的源极相连，第二MOS管M₂的栅极接起始输入信号V_start，第二MOS管M₂的漏极与第三MOS管M₃的漏极、第四MOS管M₄的漏极、第五MOS管M₅的漏极和第六MOS管M₆的漏极分别相连，第三MOS管M₃的栅极接起始输入信号V_start，第三MOS管M₃的源极接电源；M₃的栅极接时钟输出信号V_clock，源极接电源。M₅、M₉和M₁₄的栅极均接第一输入信号V_rn，第六MOS管M₆、第十MOS管M₁₀和第十五MOS管M₁₅的栅极均分别接第二输入信号V_rp，第七MOS管M₇和第十二MOS管M₁₂的源极均接地，第八MOS管M₈和第十三MOS管M₁₃的源极均接电源，第五MOS管M₅的源极、第六MOS管M₆的源极、第七MOS管M₇的栅极和第八MOS管M₈的栅极相互连接，第七MOS管M₇的漏极、第八MOS管M₈的漏极、第九MOS管M₉的漏极和第十MOS管M₁₀的漏极相互相连，第九MOS管M₉的漏极和第十MOS管M₁₀的漏极经过偶数个重复单元后与第十二MOS管M₁₂的栅极和第十三MOS管M₁₃的栅极相互相连，第十二MOS管M₁₂的漏极、第十三MOS管M₁₃的漏极、第十四MOS管M₁₄的漏极和第十五MOS管M₁₅的漏极相互相连，第四MOS管M₁₄的源极和第十五MOS管M₁₅的源极分别与时钟输出信号V_clock相连。

实施例三。

一种利用如权利要求1至6所述的CMOS温度传感器的传感方法，其特征在于包括以下步骤：

当起始输入信号V_start信号由低电平变为高电平后，温度传感电压生成器和参考电压生成器开始工作，生成输出电压信号V_sense和与温度无关的电压V_ref，分别控制第一二进制计数器和第二二进制计数器开始振荡输出与温度相关的时钟信号F_sense和与温度无关的时钟信号F_ref，第一二进制计数器和第二二进制计数器分别累加与温度相关的时钟信号F_sense和与温度无关的时钟信号F_ref的周期数，当第二二进制计数器计满溢出时，停止电压信号V_stop由低电平变为高电平，第一二进制计数器停止计数；此时第一二进制计数器输出的与温度相关的温度计码D_sense送至数字信号处理器(DSP)，经过数字信号处理器(DSP)校准即可得到当前芯片的工作温度。

还包括以下步骤：

当起始输入信号V_start信号为低电平时，温度传感电压生成器、参考电压生成器、第一环形振荡器和第二环形振荡器处于关闭状态，第一二进制计数器和第二二进制计数器处于复位清零状态。

本发明如图1-6所示，包含温度传感电压生成器、参考电压生成器、第一环形振荡器、第二环形振荡器、第一二进制计数器和第二二进制计数器。其中温度传感电压生成器生成与温度相关的电压V_sense，参考电压生成器生成与温度无关的电压V_ref，V_sense和V_ref分别控制第一环形振荡器和第二环形振荡器生成相应频率的时钟信号F_sense和F_ref，F_sense和F_ref分别经过第一二进制计数器和第二计数器生成温度计码D_sense和D_ref，D_sense和D_ref位宽分别为16位和10位。

图3所示的温度传感电压生成器包含第一MOS管M₁和第二MOS管M₂，其中M₁的源极接地，M₂的漏极接电源，M₁的栅极和漏极与M₂的栅极和源极均与输出电压信号V_sense相连。

图4所示的参考电压生成器包含第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃和第四MOS管M₄。其中M₁的源极接地，栅极和漏极与M₂的源极相连，M₄的源极接电源，栅极和漏极与M₃的源极相连，M₂的栅极和漏极与M₃的栅极和漏极均与输出电压信号V_ref相连。

图5所示的电压转电流模块第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃、第四MOS管M₄、第一运算放大器A₁、第二运算放大器A₂、第一电阻R₁。其中M₁的源极接地，M₁的栅极和漏极、M₂的漏极均与输出信号V_rn相连，M₂的栅极与运放A₁的输出相连，源极与A₁的负输入端和R₁的负极相连，R₁的正极与运放A₂的正输入端和M₃的漏极相连，M₃的栅极与运放A₂的输出相连，M₄的栅极和漏极、M₃的源极均与输出信号V_rp相连，M₄的源极接电源，传感电压生成器接在运放A₁的负输入端和运放A₂的负输入端之间。

图6所示的环形振荡器包含第一MOS管M₁、第二MOS管M₂、第三MOS管M₃、第四MOS管M₄、第五MOS管M₅、第六MOS管M₆、第七MOS管M₇、第八MOS管M₈、第九MOS管M₉、第十MOS管M₁₀、第十一MOS管M₁₁、第十二MOS管M₁₂、第十三MOS管M₁₃、第十四MOS管M₁₄、第十五MOS管M₁₅。其中M₁的源极接地，栅极接输出信号V_clock，漏极与M₂的源极相连。M₂的栅极接输入信号V_start，漏极与M₃的漏极、M₄的漏极、M₅的漏极和M₆的漏极相连。M₃的栅极接输入信号V_start，源极接电源。M₃的栅极接输出信号V_clock，源极接电源。M₅、M₉和M₁₄的栅极均接输入信号V_rn，M₆、M₁₀和M₁₅的栅极均接输入信号V_rp，M₇和M₁₂的源极均接地，M₈和M₁₃的源极均接电源，M₅和M₆的源极与M₇和M₈的栅极相连，M₇和M₈的漏极与M₉和M₁₀的漏极相连，M₉和M₁₀的漏极经过偶数个重复单元后与M₁₂和M₁₃的栅极相连，M₁₂和M₁₃的漏极与M₁₄和M₁₅的漏极相连，M₁₄和M₁₅的源极与输出信号V_clock相连。

实施例二。

本发明中CMOS温度传感器的工作原理为，当V_start信号为低电平时，温度传感电压生成器、参考电压生成器、第一环形振荡器和第二环形振荡器处于关闭状态，第一二进制计数器和第二二进制计数器处于复位清零状态。当V_start信号由低电平变为高电平后，温度传感电压生成器和参考电压生成器开始工作，生成电压V_sense和V_ref，分别控制第一二进制计数器和第二二进制计数器开始振荡输出时钟信号F_sense和F_ref，第一二进制计数器和第二二进制计数器分别累加时钟信号F_sense和F_ref的周期数，当第二二进制计数器计满溢出时，V_stop信号由低电平变为高电平，第一二进制计数器停止计数。此时第一二进制计数器输出的温度计码D_sense送至数字信号处理器(DSP)，经过DSP校准即可得到当前芯片的工作温度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。