线性温度系数电压输出电路的制作方法

本发明涉及电路温度监测技术领域，尤其涉及一种线性温度系数电压输出电路。

背景技术：

在当前的很多电路应用中需要实时地监测系统的温度状况，从而根据所测量到的温度值进行控制、补偿或保护等功能。目前主要采用热敏电阻进行测量，通过其电阻值和温度的关系来计算温度，但是在实际操作中热敏电阻需要额外的电路来偏置，同时阻值和温度是指数关系，且计算公式相对复杂，不易使用。

针对上述情况，需要提供一种新的用于监测系统温度状况的电压输出电路。且，提供一种线性温度系数的电压输出电路，以更好地解决现有技术中的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种线性温度系数电压输出电路，其利用零温度系数电压基准值和正温度系统电压基准值，并通过比较放大后相加或减而获得线性温度系数电压，从而根据所述线性温度系数电压而获得输出电路的相应温度。该电路具有测量准确、计算简单方便等特点。

为了实现上述目的，本发明提供一种线性温度系数电压输出电路，包括：一零温度系数电压基准模块、一线性正温度系数电压基准模块和一加减法模块，所述零温度系数电压基准模块、所述线性正温度系数电压基准模块均与所述加减法模块电性连接；所述零温度系数电压基准模块用于产生零温度系数电压基准值，并将所述零温度系数电压基准值放大一第一预设放大倍数后传送至所述加减法模块；所述线性正温度系数电压基准模块用于产生线性正温度系数电压基准值，并将所述线性正温度系数电压基准值放大一第二预设放大倍数后传送至所述加减法模块；所述加减法模块将放大后的零温度系数电压基准值与放大后的线性正温度系数电压基准值进行和或差处理后，输出所述输出电路的线性温度系数电压，从而根据所述线性温度系数电压获得所述输出电路的温度。

在本发明的一实施例中，所述零温度系数电压基准模块包括：零温度系数电压基准产生单元，用于产生所述零温度系数电压基准值；第一放大单元，与所述零温度系数电压基准产生单元和所述加减法模块电性连接，用于将所述零温度系数电压基准值放大后输出至所述加减法模块。

在本发明的一实施例中，所述零温度系数电压基准产生单元包括：一第一三极管、一第二三极管、一第一电阻、一第二电阻、一第一p沟道mos管、一第二p沟道mos管、一第一n沟道mos管、一第三电阻和一第四电阻；其中，所述第一p沟道mos管的源极与第二p沟道mos管的源极电性连接至供电电源，第一p沟道mos管的栅极与所述第二p沟道mos管的栅极电性连接，第一p沟道mos管的漏极、第一n沟道mos管的栅极均与第一三极管的集电极电性连接；所述第二p沟道mos管的漏极电性连接至所述第二三极管的集电极；所述第一三极管的发射极电性连接至第一电阻的一端和第二电阻的一端，所述第一三极管的基极电性连接至所述第二三极管的基极、第三电阻的一端和第四电阻的一端；所述第二三极管的发射极电性连接至第一电阻的另一端，所述第二三极管的基极电性连接至所述第三电阻的一端和所述第四电阻的一端；第二电阻的另一端接地；所述第三电阻的一端电性连接至所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端接地；第一n沟道mos管的漏极电性连接至所述第一放大单元；第一n沟道mos管的源极电性连接至第三电阻的另一端。

在本发明的一实施例中，所述第一放大单元包括第三p沟道mos管和第四p沟道mos管，所述第三p沟道mos管的源极与第四p沟道mos管的源极电性连接至供电电源，所述第三p沟道mos管的栅极电性连接至所述第四p沟道mos管的栅极和所述第三p沟道mos管的漏极，所述第三p沟道mos管的漏极电性连接至所述第一n沟道mos管的漏极，所述第四p沟道mos管的漏极电性连接至所述加减法模块的第一输入端。

在本发明的一实施例中，所述第一放大单元还包括：第二n沟道mos管和第三n沟道mos管，所述第二n沟道mos管的源极与所述第三n沟道mos管的源极接地，所述第二n沟道mos管的漏极电性连接至所述第四p沟道mos管漏极，所述第二n沟道mos管的栅极电性连接至所述第二n沟道mos管的漏极和所述第三n沟道mos管的栅极，所述第三n沟道mos管的漏极电性连接至所述加减法模块的第一输入端。

在本发明的一实施例中，所述线性正温度系数电压基准模块包括：线性正温度系数电压基准产生单元，用于产生线性正温度系数电压基准值；第二放大单元，与所述线性正温度系数电压基准产生单元和所述加减法模块电性连接，用于将所述线性正温度系数电压基准值放大后输出至所述加减法模块。

在本发明的一实施例中，线性正温度系数电压基准产生单元包括：一第一三极管、一第二三极管、一第一电阻、一第二电阻、一第一p沟道mos管和一第二p沟道mos管；其中，所述第一p沟道mos管的源极与第二p沟道mos管的源极电性连接供电电源，所述第一p沟道mos管的栅极电性连接至第二p沟道mos管的栅极，所述第一p沟道mos管的漏极与第一三极管的集电极电性连接；所述第二p沟道mos管的漏极电性连接至所述第二三极管的集电极；所述第一三极管的发射极电性连接至第一电阻的一端和第二电阻的一端，所述第一三极管的基极电性连接至所述第二三极管的基极；所述第二三极管的发射极电性连接至所述第一电阻的另一端；所述第一电阻的一端电性连接至所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接地。

在本发明的一实施例中，第二放大单元包括：第二p沟道mos管和第五p沟道mos管，所述第二p沟道mos管的栅极电性连接至所述第五p沟道mos管的栅极，所述第五p沟道mos管的源极电性连接至供电电源，第五p沟道mos管的漏极电性连接至所述加减法模块的第二输入端。

在本发明的一实施例中，所述加减法模块包括第五电阻，所述第五电阻的一端电性连接至第五p沟道mos管的漏极和第三n沟道mos管的漏极，所述第五电阻的另一端接地。

在本发明的一实施例中，根据所述线性温度系数电压获得所述输出电路的温度包括：根据常温时所述输出电路的输出电压、一预先设定的目标斜率及所述线性温度系数电压确定所述输出电路的温度，其中，所述温度采用公式vt＝k(t-25)+vc计算获得，k为预先设定的目标斜率，vc为常温时所述输出电路的输出电压，vt为所述线性温度系数电压。

在本发明的一实施例中，所述线性温度系数电压采用公式vt＝a*vt+b*vbg计算获得，其中vt为线性温度系数电压，vt为线性正温度系数电压基准值，vbg为零温度系数电压基准值，a为第一预设放大倍数，b为第二预设放大倍数。

在本发明的一实施例中，所述第一预设放大倍数采用公式a＝k/k0计算获得，其中，k为预先设定的目标斜率，k0是与δvbe相对应的温度系数，δvbe根据δvbe＝vt*lnn计算获得，lnn为常数，vt为线性正温度系数电压基准值。

在本发明的一实施例中，所述第二预设放大倍数采用公式b＝(a*vt-vc)/vbg计算获得，其中，a*vt为放大后的线性正温度系数电压基准值，vc为常温时所述输出电路的输出电压，vbg为零温度系数电压基准值。

在本发明的一实施例中，所述线性温度系数电压采用公式vt＝a0*(r5/r1)*vt*lnn-b0*(r5/r4)*vbg计算获得，其中a＝a0*(r5/r1)*lnn，a0为第二p沟道mos管和第五p沟道mos管的宽长比例，b＝b0*(r5/r4)，b0＝b1*b2，b1为第四p沟道mos管和第三p沟道mos管的宽长比例，b2为第三n沟道mos管和第二n沟道mos管的宽长比例，n为第二三极管和第一三极管的面积电流比例，vbg为零温度系数电压基准值，vt为线性正温度系数电压基准值。

在本发明的一实施例中，vbg采用公式vbg＝vbe1+(r2/r1)*vt*lnn计算获得，vbe1为第一三极管基极-发射极间的电压。

本发明的优点在于，本发明所述线性温度系数电压输出电路利用零温度系数电压基准值和正温度系统电压基准值，并通过比较放大后相加或减而获得线性温度系数电压，从而根据所述线性温度系数电压而获得输出电路的相应温度，以进一步确定包含该输出电路的芯片或应用电路的温度。另外，本发明所述线性温度系数电压输出电路通过公式的计算可以获得任何斜率温度系数的输出电压以及任意常温下的电压偏置。另外，本发明所述线性温度系数电压输出电路具有测量准确、计算简单方便等特点。

附图说明

图1是本发明一实施例中的一种线性温度系数电压输出电路的框架示意图；

图2是一种经典零温度系统-带隙电压基准电路连接示意图；

图3是本发明所述实施例中的所述线性温度系数电压输出电路的具体电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的线性温度系数电压输出电路做详细说明。

参见图1所示，本发明提供一种线性温度系数电压输出电路，包括：一零温度系数电压基准模块110、一线性正温度系数电压基准模块120和一加减法模块130，所述零温度系数电压基准模块110、所述线性正温度系数电压基准模块120均与所述加减法模块130电性连接；所述零温度系数电压基准模块110用于产生零温度系数电压基准值，并将所述零温度系数电压基准值放大一第一预设放大倍数后传送至所述加减法模块130；所述线性正温度系数电压基准模块120用于产生线性正温度系数电压基准值，并将所述线性正温度系数电压基准值放大一第二预设放大倍数后传送至所述加减法模块130；所述加减法模块130将放大后的零温度系数电压基准值与放大后的线性正温度系数电压基准值进行和或差处理后，输出所述输出电路的线性温度系数电压140，从而根据所述线性温度系数电压140获得所述输出电路的温度。需说明的是，实际应用中可以根据线性温度系数电压输出电路确定其自身的温度，来确定包含该输出电路的芯片或应用电路的温度。

在本实施例中，加减法模块130可以是加法器或减法器，也可以只采用加法器即可完成加法或减法运算。

进一步而言，所述零温度系数电压基准模块110包括：零温度系数电压基准产生单元111，用于产生所述零温度系数电压基准值；第一放大单元112，与所述零温度系数电压基准产生单元111和所述加减法模块130电性连接，用于将所述零温度系数电压基准值放大后输出至所述加减法模块130。在本实施例中，零温度系数电压基准模块110通过零温度系数电流来得到零温度系数电压基准值。

所述线性正温度系数电压基准模块120包括：线性正温度系数电压基准产生单元121，用于产生线性正温度系数电压基准值；第二放大单元122，与所述线性正温度系数电压基准产生单元121和所述加减法模块130电性连接，用于将所述线性正温度系数电压基准值放大后输出至所述加减法模块130。

在本实施例中，线性正温度系数电压基准产生单元121通过线性正温度系数电流来得到线性正温度系数电压基准值。

在这种情况下，根据所述线性温度系数电压140可以获得所述输出电路的温度包括：根据常温时所述输出电路的输出电压、预先设定的目标斜率及所述线性温度系数电压确定所述输出电路的温度，其中，所述温度是采用以下公式而计算获得，

vt＝k(t-25)+vc……(i)

在公式(i)中，k为预先设定的目标斜率，vc为常温时所述输出电路的输出电压，vt为所述线性温度系数电压。也就是说，当获得所述线性温度系数电压，且预先设定的目标斜率k被设定了(其可以为任何值，设定后为一常数)，以及常温25度时所述输出电路的输出电压(其可以为一常数，取值范围为0伏至实现该电路的供电电压，可参考图3所示及相关的描述)被预先设定了之后，从而可以获得被监测系统(例如，包括该输出电路的芯片或应用电路)的温度变量t。当然，也可以在获得所述温度变量t后，通过上述公式(i)计算获得所述线性温度系数电压vt。

在公式(i)中的所述线性温度系数电压vt可以通过另一公式(ii)计算获得，具体如下：

vt＝a*vt+b*vbg……(ii)

其中vt为所述线性温度系数电压，vt为线性正温度系数电压基准值，vbg为零温度系数电压基准值，a为第一预设放大倍数，b为第二预设放大倍数。

进一步，所述第一预设放大倍数可以通过采用公式a＝k/k0计算而获得，其中，k为预先设定的目标斜率，k0是与δvbe相对应的温度系数，可以通过δvbe对温度t的求导计算得到，δvbe是根据δvbe＝vt*lnn计算而获得，lnn为常数，vt为线性正温度系数电压基准值。也就是说，利用带隙电压基准电路的δvbe正温度特性，将与δvbe相对应的温度系数k0放大a倍后可以得到需要的温度系数k。

所述第二预设放大倍数可以通过采用公式b＝(a*vt-vc)/vbg计算而获得，其中，a*vt为放大后的线性正温度系数电压基准值，vc为常温时所述输出电路的输出电压，vbg为零温度系数电压基准值。

此时，将放大a倍的线性正温度系数电压基准值与放大b倍的零温度系数电压基准值相加或减，从而获得所需要输出电压。

在一种实现方式中，由于本发明所述线性温度系数电压输出电路是基于经典的零温度系数-带隙电压基准电路而设计的，因此，在上述公式(ii)中零温度系数电压基准值vbg可以通过经典零温度系数-带隙电压基准电路的计算公式(iii)而获得。

参见图2所示，所述经典零温度系数-带隙电压基准电路的原理是利用第三三极管q3的vbe电压的负温度特性以及第一三极管q1和第二三极管q2的vbe电压差的正温度特性，通过调整第一三极管q1和第二三极管q2的面积电流比例(其中，三极管的面积电流比例是指，在三极管做电流镜时，电流大小与三极管的发射极面积成正比；例如第二三极管q2的发射极面积是2，第一三极管q1的发射极面积是1，当第一三极管q1的电流为i1，则第二三极管q2的电流是2倍的i1)以及第一电阻r1和第二电阻r2的电阻比例，来输出零温度系数电压基准值vbg。零温度系数电压基准值vbg是不随温度变化的电压，在使用过程中可以认为是一个常量。假定mos器件的沟道宽长比(w/l)为pm1＝pm2＝pm3，nm1＝nm2，三极管的面积电流比例为q1：q2：q3＝1：n：1，其计算公式如下：

其中vbe3是第三三极管q3的基极-发射极之间的电压，其为负温度系数电压基准值，常温下约等于0.65v，负温度系数(即vbe3对温度t的求导)约为-2.0mv/℃；vt是正温度系数电压基准值，常温下约等于26mv，正温度系数(通过正温度系数电压基准值vt对温度t的求导)约为+0.087mv/℃。通过调整r2/r1和n，可以使得等于2/0.087＝23,从而可获得零温度系数电压基准值vbg＝0.65+0.026*23＝1.25v。

继续参见上述公式(ii)，vt是线性正温度系数电压基准值，其为一与所述温度变量t相关的变量，即可以通过以下公式(iv)来表达，

vt＝kt1/q……(iv)

其中，在该公式(iv)中，k为玻尔兹曼常数，t1是绝对温度，t1＝t+273，q是电子电荷。

另外，在上述公式(ii)中，a为第一预设放大倍数，b为第二预设放大倍数。所述第一预设放大倍数是通过采用公式a＝k/k0计算而获得，其中，k为预先设定的目标斜率，k0是与δvbe相对应的温度系数，δvbe是根据δvbe＝vt*lnn计算而获得，lnn为常数，vt为线性正温度系数电压基准值。在如图3所示的所述线性温度系数电压输出电路的具体电路连接示意图中，δvbe表示vbe1和vbe2的差值。所述线性温度系数电压输出电路的具体电路连接示意图将在下文中进一步描述。

所述第二预设放大倍数是采用公式b＝(a*vt-vc)/vbg计算而获得，其中，a*vt为放大后的线性正温度系数电压基准值，vc为常温时所述输出电路的输出电压(或称为常温偏置电压，即常温25度时的输出电压)，vbg为零温度系数电压基准值。

继续参见公式(i)和(ii)，以预先设定的目标斜率k＝20mv/℃，常温(25℃)时输出电路的输出电压为1.2v为示例。首先，计算第一预设放大倍数a＝k/0.087＝20/0.087＝230，然后计算放大230倍后的线性正温度系数电压基准值a*vt＝230*0.026＝6.0v，由于常温(25℃)时输出电路的输出电压为1.2v，则常温偏置点需要修正为1.2v-6.0v＝-4.8v，即常温偏置点需要放大b＝-4.8/1.25＝-3.84倍。于是，所述输出电路的线性温度系数电压vt为：vt＝230*vt-3.84*vbg。

在另一种实现方式中，结合图1和图3所示，将进一步描述所述实施例中的所述线性温度系数电压输出电路的具体电路连接关系。其中，所述线性温度系数电压输出电路包括零温度系数电压基准模块110、线性正温度系数电压基准模块120以及加减法模块130；所述零温度系数电压基准模块110包括：零温度系数电压基准产生单元111和第一放大单元112；所述线性正温度系数电压基准模块120包括：线性正温度系数电压基准产生单元121和第二放大单元122。

具体而言，所述零温度系数电压基准产生单元111包括：一第一三极管q1、一第二三极管q2、一第一电阻r1、一第二电阻r2、一第一p沟道mos管pm1、一第二p沟道mos管pm2、一第一n沟道mos管nm1、一第三电阻r3和一第四电阻r4；其中，所述第一p沟道mos管pm1的源极与第二p沟道mos管pm2的源极电性连接至供电电源vdd，第一p沟道mos管pm1的栅极与所述第二p沟道mos管pm2的栅极电性连接，第一p沟道mos管pm1的漏极、第一n沟道mos管nm1的栅极均与第一三极管q1的集电极电性连接；所述第二p沟道mos管pm2的漏极电性连接至所述第二三极管q2的集电极；所述第一三极管q1的发射极电性连接至第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端，所述第一三极管q1的基极电性连接至所述第二三极管q2的基极、第三电阻r3的一端和第四电阻r4的一端；所述第二三极管q2的发射极电性连接至第一电阻r1的另一端，所述第二三极管q2的基极电性连接至所述第三电阻r3的一端和所述第四电阻r4的一端；第二电阻r2的另一端接地；所述第三电阻r3的一端电性连接至所述第四电阻r4的一端，所述第四电阻r4的另一端接地；第一n沟道mos管nm1的漏极电性连接至所述第一放大单元112；第一n沟道mos管nm1的源极电性连接至第三电阻r3的另一端。

所述第一放大单元112包括第三p沟道mos管pm3和第四p沟道mos管pm4，所述第三p沟道mos管pm3的源极与第四p沟道mos管pm4的源极电性连接至供电电源vdd，所述第三p沟道mos管pm3的栅极电性连接至所述第四p沟道mos管pm4的栅极和所述第三p沟道mos管pm3的漏极，所述第三p沟道mos管pm3的漏极电性连接至所述第一n沟道mos管nm1的漏极，所述第四p沟道mos管pm4的漏极电性连接至所述加减法模块130的第一输入端。

另外，所述第一放大单元112还包括：第二n沟道mos管nm2和第三n沟道mos管nm3，所述第二n沟道mos管nm2的源极与所述第三n沟道mos管nm3的源极接地，所述第二n沟道mos管nm2的漏极电性连接至所述第四p沟道mos管pm4漏极，所述第二n沟道mos管nm2的栅极电性连接至所述第二n沟道mos管nm2的漏极和所述第三n沟道mos管nm3的栅极，所述第三n沟道mos管nm3的漏极电性连接至所述加减法模块130的第一输入端。

在其他实现方式中，所述第一放大单元112不止包含第三p沟道mos管pm3和第四p沟道mos管pm4组成的一级放大电路，及第二n沟道mos管nm2和第三n沟道mos管nm3组成的二级放大电路，也可以根据需要设置多级放大电路，以满足线性正温度系数电压模块的输出需要。

继续参见图3所示，所述线性正温度系数电压基准产生单元121包括：一第一三极管q1、一第二三极管q2、一第一电阻r1、一第二电阻r2、一第一p沟道mos管pm1和一第二p沟道mos管pm2；其中，所述第一p沟道mos管pm1的源极与第二p沟道mos管pm2的源极电性连接供电电源vdd，所述第一p沟道mos管pm1的栅极电性连接至第二p沟道mos管pm2的栅极，所述第一p沟道mos管pm1的漏极与第一三极管q1的集电极电性连接；所述第二p沟道mos管pm2的漏极电性连接至所述第二三极管q2的集电极；所述第一三极管q1的发射极电性连接至第一电阻r1的一端和第二电阻r2的一端，所述第一三极管q1的基极电性连接至所述第二三极管q2的基极；所述第二三极管q2的发射极电性连接至所述第一电阻r1的另一端；所述第一电阻r1的一端电性连接至所述第二电阻r2的一端，所述第二电阻r2的另一端接地。

另外，所述第二放大单元122包括：第二p沟道mos管pm2和第五p沟道mos管pm5，所述第二p沟道mos管pm2的栅极电性连接至所述第五p沟道mos管pm5的栅极，所述第五p沟道mos管pm5的源极电性连接至供电电源vdd，第五p沟道mos管pm5的漏极电性连接至所述加减法模块130的第二输入端。

在本发明所述实施例中，所述加减法模块130包括第五电阻r5，所述第五电阻r5的一端电性连接至第五p沟道mos管pm5的漏极和第三n沟道mos管nm3的漏极，所述第五电阻r5的另一端接地。

在上述实施例中，第一p沟道mos管pm1、第二p沟道mos管pm2、第一三极管q1、第二三极管q2、第一电阻r1、第二电阻r2实现了前述零温度系数-带隙电压基准电路的输出零温度系数电压基准值的功能，其中第一三极管q1和第二三极管q2的面积电流比为1：n。第二p沟道mos管pm2、第五p沟道mos管pm5构成正温度系数电流镜放大，第一n沟道mos管nm1、第三电阻r3、第四电阻r4、第三p沟道mos管pm3、第四p沟道mos管pm4、第二n沟道mos管nm2和第三n沟道mos管nm3构成零温度系数电流镜放大。放大后的两路电流相减后再通过第五电阻r5，以生成线性温度系数电压，并输出。容易理解地，线性正温度系数电压基准值、零温度系数电压基准值在图3这种具体的实现方式中，并未被实际检测，而是由线性正温度系数电流和零温度系数电流进行反映的，即线性正温度系数电流和零温度系数电流相加或者相减后，流经第五电阻r5生成线性温度系数电压。

继续参见图3所示，在本发明所述实施例中，所述线性温度系数电压可以根据上述公式(ii)推导出vt＝a0*(r5/r1)*vt*lnn-b0*(r5/r4)*vbg……(v)，

其中a＝a0*(r5/r1)*lnn，a0为第二p沟道mos管pm2和第五p沟道mos管pm5的宽长比例，即正温度系数电路放大倍数，b＝b0*(r5/r4)，b0＝b1*b2，b0为零温度系数电流放大倍数，b1为第四p沟道mos管pm4和第三p沟道mos管pm3的宽长比例，b2为第三n沟道mos管nm3和第二n沟道mos管nm2的宽长比例，n为第二三极管q2和第一三极管q1的面积电流比例，vbg为零温度系数电压基准值，vt为线性正温度系数电压基准值。

于是，根据公式(v)可以计算获得所述线性温度系数电压vt。

另外，vbg可以根据上述公式(iii)推导出vbg＝vbe1+(r2/r1)*vt*lnn……(vi)，其中，vbe1为第一三极管q1基极-发射极间的电压。

于是，根据公式(vi)可以计算获得零温度系数电压vbg。

根据公式(v)，可以对该公式进行求导，以获得以下公式：

于是，根据上述公式(v)和公式(vii)的计算，以及通过设计n、第五电阻r5、第四电阻r4、第一电阻r1的比例，以及第一预设放大倍数a和第二预设放大倍数b的设定，可以得到任何斜率温度系数的输出电压以及任意常温下的电压偏置。

本发明所述线性温度系数电压输出电路利用零温度系数电压基准值和正温度系统电压基准值，并通过比较放大后相加或减而获得线性温度系数电压，从而根据所述线性温度系数电压而获得输出电路的相应温度，以进一步确定包含该输出电路的芯片或应用电路的温度。另外，本发明所述线性温度系数电压输出电路通过公式的计算可以获得任何斜率温度系数的输出电压以及任意常温下的电压偏置。另外，本发明所述线性温度系数电压输出电路具有测量准确、计算简单方便等特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。