一种应用于温度传感器的SAR逻辑电路

一种应用于温度传感器的sar逻辑电路
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，具体为一种应用于大测温范围的温度传感器的sar逻辑电路。


背景技术：

2.温度传感器是用于测温的器件，它的应用范围十分广泛，涉及农业、医疗、电子器件等；温度传感器可由感温电路与sar adc(逐次逼近型模数转换器)电路构成，sar adc电路的精度对温度传感器的精度有重要影响。sar逻辑电路作为sar adc电路的其中一个模块，它的工作温度范围会限制温度传感器可测量的最高温度，因此对它的性能要求也有所提高。
3.目前，对于结构大致为感温电路加上adc电路的温度传感器而言，测温范围均在-55℃—+150℃内浮动，当所测温度超出这一范围时，则无法得到测量结果，部分原因在于sar逻辑电路无法在高温下正常工作并输出数据。组成sar逻辑电路的传统寄存器在高温下信号电压会发生变化，信号间会产生竞争，导致输出信号产生错误。在改善传统寄存器的同时，应当适当降低sar逻辑电路的复杂性，使电路结构简单且易于使用。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，针对传统温度传感器测温范围不够大的问题，本发明提供了一种应用于大测温范围的温度传感器的sar逻辑电路，其满足大测温范围温度传感器的指标要求，能在高温下正常工作，并与其他模块共同完成测温功能，并将测温范围扩大至-150℃—+200℃。
5.本发明所述的一种应用于温度传感器的sar逻辑电路，所述温度传感器包括感温电路与sar adc电路，所述sar adc电路包括采样保持电路、dac电容阵列、比较器、sar逻辑电路，所述感温电路产生与温度呈正相关的差分信号，该差分信号作为输入信号进入采样保持电路；
6.采样保持电路对输入信号进行采样与保持并得到输出采样信号，采样保持电路的输出采样信号作为比较器的输入信号进行比较；
7.比较器的输出信号为输入的采样信号的比较结果，该比较结果作为sar逻辑电路的输入信号；
8.sar逻辑电路输出有序时钟信号，且在有序时钟信号控制下依次输出比较器的比较结果，并将此输出信号与时钟信号作为输入信号进入电容阵列并以此改变电容阵列的开关，从而改变电容阵列的输出电压；所述sar逻辑电路由3个tspc寄存器阵列组成，各个tspc寄存器阵列均由若干个tspc寄存器组成，每个tspc寄存器均由tspcr与电平恢复电路组成；其中tspcr表示传统tspc寄存器；
9.电容阵列的输出电压再次作为比较器的输入电压进行比较，重复多次比较，得到比较结果，即为数字信号，并经由sar逻辑电路对数字信号进行并行输出。
10.进一步的，所述sar逻辑电路包括第一tspc寄存器阵列、第二tspc寄存器阵列、第三tspc寄存器阵列，其中第一tspc寄存器阵列在设定的时钟信号下，输出信号ctrl11-ctrl0与ctrlout，输出信号ctrl11-ctrl0作为采样时钟信号输入第二tspc寄存器阵列，信号ctrlout作为采样时钟信号输入第三tspc寄存器阵列，比较器的输出信号in作为第二tspc寄存器阵列的输入信号，第二tspc寄存器阵列将输入信号in按照采样时钟信号依次输出，得到输出信号d11-d0，在同一时钟信号ctrlout下，第三tspc寄存器阵列将信号d11-d0并行输出，得到输出信号out11-out0。。
11.进一步的，第一tspc寄存器阵列由13个tspc寄存器级联组成，第一tspc位寄存器的输入信号为电源电压vdd，后续tspc寄存器的输入信号依次为前一个tspc寄存器的输出信号，时钟信号clk2为第一tspc寄存器阵列中tspc寄存器各自的输出信号经过四个反相器延时再次作为自身的时钟信号clk2输入，即信号ctrl11经过反相器延迟变为了ctrl11-。。
12.进一步的，第二tspc寄存器阵列由12个tspc寄存器级联组成，每个tspc寄存器输入信号均为比较器输出信号，复位信号reset始终接地，时钟信号clk依次为来自第一tspc寄存器阵列的输出信号ctrl11—ctrl0，时钟信号clk2为ctrl11—ctrl0经过四个反相器延时后得到的信号，依次输入各个寄存器，得到输出信号d11—0，输出信号依次为比较器各周期的输出结果。
13.进一步的，第三tspc寄存器阵列由12个tspc寄存器级联组成，输入信号依次为d11—0，时钟信号clk皆为第一次tspc寄存器阵列的输出信号ctrlout，复位信号reset与时钟信号clk2皆接地，输出信号out11—0是在同一时钟下，将比较器结果d11—0并行输出。
14.进一步的，所述tspc寄存器包括tspcr与电平恢复电路，其中，tspcr电路由7个nmos管，5个pmos管，3个反相器组成；电平恢复电路由1个nmos管，1个pmos管，1个反相器，2个与非门组成；在tspcr电路中，输入信号d进入第零nmos管m0和第二pmos管m2的栅极，信号经由第零nmos管m0的漏极连接至第四nmos管m4的栅极，第四nmos管m4的漏极连接至第八nmos管m8与第十pmos管m10的栅极，第十pmos管m10的漏极连接至反相器i3的输入端，反相器i3的输出端即为输出信号q；复位信号reset连接至第五pmos管m5、第七nmos管m7与第十一nmos管m11的栅极，当复位信号reset为1时，电路处于复位状态，当复位信号reset为0时，电路处于工作状态；时钟信号clk连接至第一pmos管m1、第三nmos管m3与第六pmos管m6的栅极，同时连接至反相器i0的输入端，反相器i0的输出端连接至反相器i1的输入端，反相器i1的输出端连接至第九nmos管m9的栅极；在电平恢复电路中，与非门i4的输入端分别与时钟信号clk2、tspcr输出信号q连接，输出端与第十二pmos管m12的栅极连接，第十二pmos管m12的漏极与tspcr中连接线1(即第四nmos管m4的漏极)相连，与非门i5的输入端分别与连接线2(即与非门i4的输出端)、时钟信号clk2连接，输出端连接反相器i2的输入端，反相器i2的输出端连接第十三nmos管m13的栅极，第十三nmos管m13的漏极与连接线1(即第四nmos管m4的漏极)相连，在时钟信号clk2与tspcr输出信号q的控制下，电平恢复电路能够改变连接线1的电压。
15.本发明所述的有益效果为：tspcr在高温下会产生竞争，使得结果输出不正确，本发明在tspcr结构上加了电平恢复电路，极大地改善了竞争问题，使改善后的寄存器能在极端温度下(-150℃或200℃)正常工作，由于竞争问题是随着温度趋于极限值而逐渐严重，因此改善后的寄存器能在-150℃—200℃正常工作。为使寄存器在极端情况下能正常工作，除
了结构上的改进，还需合理选取时钟信号，对于单个寄存器而言，通常选取时钟信号clk2与时钟信号clk之间有延时即可，但在由寄存器阵列组成的sar逻辑电路中，各寄存器阵列选取的时钟信号clk2并不完全为clk的延时信号，在最低限度满足电路功能的前提下，第一tspc寄存器阵列与第二tspc寄存器阵列的clk2相同且均与第一tspc寄存器阵列的输出信号有关，第三tspc寄存器阵列的clk2连接至地，省去了部分用于延时的反相器，一定程度上降低了电路的复杂性。本发明所采用的sar逻辑电路用于温度传感器，能极大地提高测温范围至-150℃—200℃。温度传感器的应用范围更为广泛，更适合一些极端温度的测量。
附图说明
16.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
17.图1为本发明的sar逻辑电路的结构框图；
18.图2为本发明的sar逻辑电路的前四位电路图；
19.图3为本发明的sar逻辑电路中tspc寄存器的电路图；
20.图4为本发明的输入输出信号波形图；其中图4(a)为第一tspc寄存器阵列的前四位输出信号波形图，图4(b)为第一tspc寄存器阵列中ctrl11与ctrl11-的对比图，图4(c)为第二tspc寄存器阵列的前四位输出信号波形图，图4(d)为第三tspc寄存器阵列的输出信号波形图；
21.图5为本发明的tspc寄存器信号波形图；其中图5(a)为在高温200℃下，寄存器的工作状态图，图5(b)为在-150℃下，寄存器的工作状态图；
22.图6为tspcr在高温下的信号波形图。
具体实施方式
23.如图1所示，一种应用于温度传感器的sar逻辑电路由3个tspc寄存器阵列组成，第一tspc寄存器阵列在设定的时钟信号下，输出信号ctrl11—ctrl0与ctrlout，输出信号ctrl11—ctrl0作为采样时钟信号输入第二tspc寄存器阵列，输出信号ctrlout作为采样时钟信号输入第三tspc寄存器阵列，第二tspc寄存器阵列的输入信号为比较器的输出信号in，将信号in按照采样时钟信号依次输出，得到输出信号d11—d0，在同一时钟信号ctrlout下，第三tspc寄存器阵列将信号d11—d0并行输出，得到输出信号out11—out0。
24.如图2所示，寄存器内部的工作方式如下。tspc寄存器阵列都由tspc寄存器级联组成。在第一tspc寄存器阵列中，有13个寄存器，第一位寄存器的输入信号为电源电压vdd，后续寄存器的输入信号依次为前一个寄存器的输出信号，时钟信号clk2为同一寄存器阵列中的寄存器的输出信号经过四个反相器延时再次作为时钟信号输入同一寄存器。在前3个时钟周期内，时钟信号clk始终为0，复位信号reset始终为1，寄存器处于复位状态，输出信号ctrl11—ctrlout皆为0。在后13个时钟周期内时钟信号clk为周期为13的方波信号，复位信号reset始终为0，寄存器处于工作状态，上升沿有效，依次输出信号ctrl11—ctrlout，输出信号之间的关系为上升沿依次延迟一个时钟周期。在第二tspc寄存器阵列中，有12个寄存器，输入信号均为比较器输出信号，复位信号reset始终接地，时钟信号clk依次为来自第一tspc寄存器阵列的ctrl11—ctrl0，时钟信号clk2为同一寄存器阵列中的ctrl11—ctrl0经
过四个反相器延时后得到的信号，依次输入同一寄存器阵列中的各个寄存器，得到输出信号d11—d0，输出信号依次为比较器各周期的输出结果。在第三tspc寄存器阵列中，同样有12个寄存器，输入信号依次为d11—d0，时钟信号clk皆为第一tspc寄存器阵列的输出信号ctrlout，复位信号reset与时钟信号clk2皆接地，输出信号out11—out0是在同一时钟下，将比较器结果d11—d0并行输出。
25.上述组成寄存器阵列的tspc寄存器的结构包括tspcr与电平恢复电路，如图3所示。其中，tspcr电路由7个nmos管，5个pmos管，3个反相器组成；电平恢复电路由1个nmos管，1个pmos管，1个反相器，2个与非门组成；在tspcr电路中，输入信号d进入第零nmos管m0和第二pmos管m2的栅极，信号经由第零nmos管m0的漏极连接至第四nmos管m4的栅极，第四nmos管m4的漏极连接至第八nmos管m8与第十pmos管m10的栅极，第十pmos管m10的漏极连接至反相器i3的输入端，反相器i3的输出端即为输出信号q；复位信号reset连接至第五pmos管m5、第七nmos管m7与第十一nmos管m11的栅极，当复位信号reset为1时，电路处于复位状态，当复位信号reset为0时，电路处于工作状态；时钟信号clk连接至第一pmos管m1、第三nmos管m3与第六pmos管m6的栅极，同时连接至反相器i0的输入端，反相器i0的输出端连接至反相器i1的输入端，反相器i1的输出端连接至第九nmos管m9的栅极；在电平恢复电路中，与非门i4的输入端分别与时钟信号clk2、tspcr输出信号q连接，输出端与第十二pmos管m12的栅极连接，第十二pmos管m12的漏极与tspcr中连接线1(即第四nmos管m4的漏极)相连，与非门i5的输入端分别与连接线2(即与非门i4的输出端)、时钟信号clk2连接，输出端连接反相器i2的输入端，反相器i2的输出端连接第十三nmos管m13的栅极，第十三nmos管m13的漏极与连接线1(即第四nmos管m4的漏极)相连，在时钟信号clk2与tspcr输出信号q的控制下，电平恢复电路能够改变连接线1的电压。
26.寄存器的工作方式如下：当复位信号reset为1时，第五pmos管m5断开，第七nmos管m7、第十一nmos管m11导通，连接线1与输出信号q均复位为0。当复位信号reset为0时，第七nmos管m7、第十一nmos管m11断开，第五pmos管m5导通，电路处于工作状态，若此时时钟信号clk为0，则第一pmos管m1、第六pmos管m6导通，第三nmos管m3、第九nmos管m9断开，输入信号连接第零nmos管m0、第二pmos管m2栅极，之后输入第四nmos管m4的栅极，此时，第三nmos管m3、第四nmos管m4、第五pmos管m5、第六pmos管m6处于预充电状态，第八nmos管m8、第九nmos管m9、第十pmos管m10处于维持状态，反相器i3的输入保持不变，因此输出信号q保持不变。在时钟信号clk的上升沿，信号clk从0变为1，第三nmos管m3、第四nmos管m4、第五pmos管m5、第六pmos管m6处于求值状态，第四nmos管m4栅极信号决定了连接线1的信号。当时钟信号clk为1时，第一pmos管m1、第六pmos管m6断开，第三nmos管m3、第九nmos管m9导通，此时第八nmos管m8、第九nmos管m9、第十pmos管m10处于工作状态，信号连接第八nmos管m8、第十pmos管m10栅极，信号从第十pmos管m10漏极输出。此后信号经由反相器i3输出为输出信号q。当时钟信号clk2为0时，电平恢复电路不工作。通过合理设置时钟信号clk2使得信号传输至输出信q后，时钟信号clk2为1，电平恢复电路才处于工作状态，此时若输出信号为1，则第十二pmos管m12导通，第十三nmos管m13断开，连接线1的电压变为电源电压，信号经由第八nmos管m8、第九nmos管m9、第十pmos管m10、反相器i3输出，输出信号q保持不变；若输出信号为0，则第十二pmos管m12断开，第十三nmos管m13导通，连接线1的电压下拉至地，输出信号q保持不变。
27.在实施例中，将工作温度设为150℃，以sar逻辑电路的前4位为例说明sar逻辑的工作原理。如图4(a)所示，图中从上到下依次为第一tspc寄存器阵列的输入信号valid(clk)、sig_clk(reset)以及输出信号ctrl11-ctrl8,当输入信号sig_clk为1时，电路处于复位状态；输入信号sig_clk为0时，电路正常工作，此时输入信号valid为方波信号，由上述寄存器工作原理可知寄存器是上升沿有效，因此输出信号随时钟变化，表现为上升沿依次延迟一个周期的信号。如图4(b)左图所示，图中从上到下依次为信号ctrl11与ctrl11-，ctrl11-由ctrl11经由数个反相器得到，延迟时间如图4(b)右图所示。如图4(c)所示，图中从上到下依次为第二tspc寄存器阵列的输入信号inp(d)、以及输出信号d11-d8，从图中可看出输入信号inp的前四位依次为1011，d11-d8在时钟信号ctrl11-ctrl8下，依次输出inp的值。第三tspc寄存器阵列的输入信号来自第二tspc寄存器阵列的d11-d8，输入输出信号如图4(d)所示，从上到下依次为信号ctrlout、out11-out8，在时钟上升沿处，对输入信号1011进行并行输出。图4中的图皆取自同一个时间段，可以结合在一起看。
28.以第二tspc寄存器阵列从左往右起第一个寄存器为例：
29.图5(a)所示为在高温200℃下，图中信号从上至下依次为时钟信号ctrl11，输入信号inp，连接线1的信号及第十pmos管m10漏端电压的信号，在时钟信号ctrl11上升沿到来之后，连接线1的信号与第十pmos管m10漏端电压的信号无交点，信号间无竞争关系，且与输入信号数值相匹配，即针对输入信号，连接线1与第十pmos管m10漏端电压产生了正确的信号，寄存器电路处于正常工作状态。图5(b)所示为在-150℃下，图中信号从上至下依次为时钟信号ctrl11，输入信号inp(随着温度的不同，信号inp会有所变化)，第十pmos管m10漏端电压的信号(虚线)及连接线1的信号(实线)，在时钟信号ctrl11上升沿到来之后，连接线1的信号与第十pmos管m10漏端电压的信号无交点，信号间无竞争关系，且与输入信号数值相匹配，即针对输入信号，连接线1与第十pmos管m10漏端电压产生了正确的信号，寄存器电路处于正常工作状态。由于竞争问题是随着温度趋于极限值而逐渐严重，改善的寄存器能够在200℃与-150℃正常工作，因此寄存器的工作温度范围为-150℃—200℃。
30.图6所示为在高温110℃下，tspcr的工作状态。图中从上至下依次对应时钟信号ctrl11，输入信号inp，连接线1的信号(实线)及第十pmos管m10漏端电压的信号(虚线)，高温下连接线1的电压快速下降，连接线1的信号与第十pmos管m10漏端电压的信号产生交叠，信号间产生竞争，导致信号无法正常输出，sar逻辑电路无法对信号inp进行正确采样输出，从而温度传感器不能实现测温功能。
31.综上所述，与传统的寄存器电路相比，本发明提出的用于sar逻辑的寄存器在-150℃—200℃的温度范围内能正常输出信号，并得到正确的结果，能够用于温度传感器。同时，本发明提出的寄存器结构较为简单。
32.以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。