一种低功耗低成本数字CMOS温度传感器

本发明是关于温度传感器领域，特别涉及一种低功耗低成本数字cmos温度传感器及测温方法。

背景技术：

1、cmos温度传感器因其体积小、易于集成、成本低，而且可直接输出数字信号等优点，广泛用于各类片上系统、工农业物联网以及无线传感网络等应用场景。然而不同的具体应用场景对cmos温度传感器的设计也提出了相应的挑战。如片上系统里的实时时钟校准应用需要高精度的温度传感器；而片上热管理应用强调超小面积以及低电压工作；各类物联网应用则对其功耗提出了苛刻的要求；此外，进一步降低温度传感器在量产中的校准成本也有重要的应用价值。

2、cmos温度传感器中，基于bjt(bipolar junction transistor，双极结型晶体管)的cmos温度传感器由于物理特性稳定，精度高而应用最为广泛。如图1所示，bjt发射极基准电压vbe与温度线性负相关，两个bjt的发射极基准电压δvbe与温度线性正相关，取参考电压vref＝vbe+α·δvbe，与温度无关。对图1中两个bjt的发射极基准电压δvbe放大α倍，并经过数模转换输出vptat与vref的比值，数值越大则温度也越大(ptat:proportional toabsolute temperature)，具体可参考图2。但是，该类传统cmos温度传感器，具有以下几方面局限性：第一，为了产生与温度正相关的电压δvbe和负相关的电压vbe，通常在电路中需要采用两组三极管，增加了电路整体的面积和复杂度；第二，由于采用两组三极管，需要同时有两组电流源分别对两组三极管进行偏置，增加了电路的功耗；第三，为了满足δvbe和vbe保持特定的比例，两组三极管需要进行匹配，会对温度传感器测温的精度产生影响；第四，由于所产生的参考电压vref的值约为1.2v左右，此类传统cmos温度传感器的工作电压往往需要大于1v，不利于低电压的应用场景，如无电池的传感器节点。综合以上四个方面，传统温度传感器具有面积较大、设计复杂，并不适合片上热管理中多点数字集成，以及低成本低电压的大规模无线传感物联网应用。因此，研究高精度、小面积、低电压、低成本的全数字温度传感器成为行业热点和难点。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服利用寄生三极管温压特性的传统cmos数字温度传感器技术中的不足，提供一种能低于数字供电电压下正常工作，并且免去寄生三极管匹配，占用面积小的低功耗全数字温度传感器及其使用方法。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种可在低于数字供电电压下正常工作，并且免去寄生三极管匹配，占用面积小的低功耗全数字温度传感器，其特征包括：一组寄生三极管，镜像电流源电路，模数转换电路，温度校准电路，控制逻辑电路，电压校准电路，dem控制模块，斩波控制模块。

4、所述的寄生三极管为cmos芯片工艺的寄生pnp或npn型三极管，其中：

5、所述的pnp三极管的基极与集电极相连接，npn三极管的基极与射级相连接；

6、所述的pnp寄生三极管的射级与镜像电流源电路的第一支路、第二开关支路以及第三开关支路相连接；

7、所述的镜像电流源电路是只有三个支路的镜像电流源电路，或进行动态元件匹配(dem)的镜像电流源电路；

8、所述的第一支路为镜像电流源电路的一个支路，其提供电流大小为ibias；

9、所述的第二开关支路为镜像电流源电路的一个支路，本支路通过第一开关将镜像电流源电路的第二支路与pnp寄生三极管的射级相连接，其提供电流大小为n·ibias；

10、所述的第三开关支路为镜像电流源电路的一个支路，本支路通过第二开关将镜像电流源电路的第二支路与pnp寄生三极管的射级相连接，其提供的电流大小随电压校准电路调制而变化。

11、所述的第一开关和第二开关由一个nmos或pmos管构成；

12、所述的pnp寄生三极管的射级向所述的模数转换电路输入端相连接，输出正温度系数电压δvbe和负温度系数电压vbe。

13、所述的模数转换电路是一阶、二阶或者在环路稳定前提下的更高阶数；

14、所述的一阶模数转换电路包括：第一电容，第二电容，第三电容，第三开关，第四开关，第五开关，第六开关，第一运算放大器，第一比较器，其中：

15、所述的第三开关正端与pnp寄生三极管的射级连接，负极与第一电容连接；

16、所述的第一电容一端与pnp寄生三极管的射级连接，另一端与第一运算放大器的反向输入端连接，用于存储vbe电压所产生的电荷；

17、所述的第二电容一端与第三开关负端以及第四开关正端相连接，另一端与第一运算放大器反向输入端连接，用于存储δvbe电压所产生的电荷；

18、所述的第四开关负极与地连接；

19、所述的第五开关两端分别与第一运算放大器的反向输入端与输出连接；

20、所述的第六开关两端分别与第一运算放大器的反向输入端与第三电容相串联；

21、所述的第三电容两端分别与第六开关与第一运算放大器的输出连接；

22、所述的第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3其容值大小应满足关系：其中

23、所述的第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3其容值大小选择应产生一个低于1.2v的带隙基准参考电压：

24、其中基于此关系，本发明提出的方案采用低压器件实现，且在低电源电压条件下工作；

25、所述的运算放大器是普通运算放大器，或斩波放大器；

26、所述的第一运算放大器的非反向输入端与地连接；

27、所述的第一比较器是差分输入也是单端输入；

28、所述的第一差分输入比较器非反向输入端与第一运算放大器的输出连接；

29、所述的第一差分输入比较器反向输入端与一参考电压vcom连接；

30、所述的第一差分输入比较器输出端是模数转换电路的输出，其输出信号为经过调制的包含温度信息的脉冲宽度(pwm)信号。

31、所述的模数转换电路输出端与控制逻辑电路与电压校准电路连接，用于通过包含温度信息的pwm信号反馈给控制逻辑电路和电压校准电路分别对第一开关和第二开关进行控制。

32、所述的电压校准模块接收模数转换电路的输出信号和外部控制信号，输出数字信号对第二开关进行控制；

33、所述的控制逻辑将将接收系统时钟信号和模数转换电路输出信号，对第二开关进行控制，使得模数转换电路的输出达到电荷平衡；

34、所述的dem控制模块将接收模数转换电路的输出信号，将输出动态元件匹配(dem)数字控制信号对镜像电流源电路进行dem控制，降低由失配而造成误差；

35、所述的斩波控制模块将接收模数转换电路的输出信号，将斩波(chopping)控制数字控制信号对第一运算放大器进行斩波控制，降低由偏移电压而造成误差；

36、所述的温度校准电路输入端与模数转换电路的输出端连接，用于在数字域补偿校准温度检测误差，输出检测环境的温度值。

37、有益效果：

38、本发明所述的一种低功耗低成本数字cmos温度传感器相比传统温度传感器功耗、面积以及电路设计复杂度均全面降低，特别是采用单组三极管作为感温器件，省去了采用一对三极管作为感温器件而造成的匹配问题，是一种经济、有效的片上温度传感器设计方式。