申请/专利权人：中国电子科技集团公司第二十四研究所

申请日：2017-08-03

公开（公告）日：2020-03-24

公开（公告）号：CN107506278B

主分类号：G06F11/30(20060101)

分类号：G06F11/30(20060101);H03L5/00(20060101);H03M1/66(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.03.24#授权;2018.01.19#实质审查的生效;2017.12.22#公开

摘要：本发明提供一数字温度传感器电路，包括：PTAT电流源，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流；sigma‑delta调制模块，其包括积分器、模数转换单元与反馈数模转换单元，所述积分器用于将所述PTAT电流转化成温度电压；所述模数转换单元用于将所述温度电压与带隙基准电压比较生成占空比与温度成正比的数字调制信号；所述反馈数模转换单元用于调节模数转换单元输入的电压控制积分器充放电速度；数字滤波器，用于将所述数字调制信号量化为数字信号并输出。本发明的Sigma‑delta调制模块省略了积分放大器，极大降低了功耗；一方面以数字调制信号方式输出数字温度传感器电路，提高了测量精度；另一方面，直接测量芯片内部温度，将温度值量化转换为二进制编码，扩展其适用范围。

主权项：1.一种数字温度传感器电路，其特征在于，包括：PTAT电流源，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流；sigma-delta调制模块，其包括积分器、模数转换单元与反馈数模转换单元，所述积分器用于将所述PTAT电流转化成温度电压；所述模数转换单元用于将所述温度电压与带隙基准电压比较生成占空比与温度成正比的数字调制信号；所述反馈数模转换单元用于调节模数转换单元输入的电压控制积分器充放电速度；数字滤波器，用于将所述数字调制信号量化为数字信号并输出。

全文数据：数字温度传感器电路技术领域[0001]本发明属于集成电路技术领域，特别是涉及一种数字温度传感器电路。背景技术[0002]随着社会的不断进步，各种精密仪器的不断诞生，使得对于检测精度的要求也随之提高，尤其是对于整个电路系统的温度的监测，致使集成温度传感器在温度检测系统和需要温度保护的集成芯片中应用越来越多，在大功率半导体器件、如，CPU、超高速AD转换器、超高速DA转换器、功率放大器等，都需及时有效检测其芯片工作温度。[0003]然而，传统的做法在芯片背面放置一温度传感器来测温，往往上述方式不能够准确测得芯片内部温度，特别是针对大功率器件，芯片内部温度分布不均衡，存在局部热点，使得测量的温度不能够准确反应电路温度，无法及时有效的保护。发明内容[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数字温度传感器电路，用于解决现有技术中数字温度传感器电路因无法准确米集电路温度，导致给予电路及时有效保护的问题。[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种数字温度传感器电路，包括：[0006]PTAT电流源，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流；[0007]sigma-delta调制模块，其包括积分器、模数转换单元与反馈数模转换单元，所述积分器用于将所述PTAT电流转化成温度电压;所述模数转换单元用于将所述温度电压与带隙基准电压比较生成占空比与温度成正比的数字调制信号；所述反馈数模转换单元用于调节模数转换单元输入的电压控制积分器充放电速度；[0008]数字滤波器，用于将所述数字调制信号量化为数字信号并输出。[0009]于本发明的一实施例中，所述PTAT电流源的正极连接电源电压，其负极连接模数转换单元的输入端。[0010]于本发明的一实施例中，所述积分器为积分电容，所述积分电容的一端分别连接所述PTAT电流源的输出端和模数转换单元的输入端，所述积分电容的另一端接地。[0011]于本发明的一实施例中，所述模数转换单元包括比较器、第一触发器与第二触发器，所述比较器的正相输入端连接带隙基准电压，其正相输入端连接积分器的输出端，其正相输出端连接第一触发器，所述第一触发器输出数字调制信号，其负相输出端连接第二触发器，所述第二触发器输出端连接所述反馈数模转换单元。[0012]于本发明的一实施例中，所述比较器为动态比较器。[0013]于本发明的一实施例中，所述反馈数模转换单元包括第一NM0S管与第二NM0S管组成的差分对和第一恒流源，所述第一NM0S管的栅极连接第二触发器的输出端，其漏极连接所述PTAT电流源的输入端;所述第二NM0S管的栅极连接第一触发器的非q输出端，其漏极连接电源电压，所述差分对的源极连接第一恒流源的正极，所述第一恒流源的负极接地。[0014]于本发明的一实施例中，所述第一触发器与第二触发器均为D类触发器。[0015]于本发明的一实施例中，所述第一、二触发器的控制端和数字滤波器的输入端分别连接时钟信号。[0016]于本发明的一实施例中，还包括：电流调节模块，其分别连接PTAT电流源与积分器，用于调节输入积分器内的电流大小。[0017]于本发明的一实施例中，所述电流调节模块为第二恒流源，其正极连接PTAT电流源，其负极接地。[0018]于本发明的一实施例中，所述数字滤波器为数字低通滤波器。[0019]如上所述，本发明的数字温度传感器电路，具有以下有益效果：[0020]本发明将温度传感器集成在被测电路同一芯片中，利用PTAT电流源与温度之间成正比例关系，采用的sigma-delta调制模块调制PTAT电流，产生数字调制信号，其中，调制模块中省略了积分放大器，极大降低了功耗;以数字调制信号方式输出数字温度传感器电路，提高了测量精度；同时，直接测量芯片内部温度，将温度值量化转换为二进制编码便于数字处理电路与计算机处理，扩展其适用范围。附图说明[0021]图1显示为本发明提供的一种数字温度传感器电路图；[0022]图2示为本发明提供的一种数字温度传感器电路图测量低温时工作波形图；[0023]图3示为本发明提供的一种数字温度传感器电路图测量高温时工作波形图；[0024]图4显示为本发明提供图1中比较器的电路实施线路图。[0025]元件标号说明：[0026]1PTAT电流源[0027]2sigma-delta调制模块[0028]21积分器[0029]22模数转换单元[0030]23反馈数模转换单元[0031]3数字滤波器[0032]4电流调节模块具体实施方式[0033]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0034]需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。[0035]请参阅图1，为本发明提供的一种数字温度传感器电路图，包括：[0036]PTAT电流源，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流；[0037]具体地，所述PTAT电流源的正极连接电源电压，其负极连接模数转换单元的输入端。[0038]其中，PTAT电流源13作为敏感元件用于检测温度，其电流值与温度的关系可表示如下：[0039]I3=kT1[0040]式⑴中，13为PTAT电流源13电流值，k为一比例常数，T为绝对温度。一般半导体器件的工作温度范围-55°C〜125°C，换算成绝对温度就是-215K〜398K。[0041]具体地，采用PTAT电流源与带隙基准电压Vref可提高设计精度，同时，也能用来实现高线性度与高精度的温度传感器。[0042]sigma-delta调制模块2,其包括积分器21、模数转换单元22与反馈数模转换单元23,所述积分器21用于将所述PTAT电流转化成温度电压;所述模数转换单元22用于将所述温度电压与带隙基准电压比较生成占空比与温度成正比的数字调制信号;所述反馈数模转换单元23用于调节模数转换单元输入的电压控制积分器充放电速度；[0043]具体地，所述积分器21为积分电容Cint，所述积分电容Cint的一端分别连接所述PTAT电流源的输出端和模数转换单元的输入端，所述积分电容：的另一端接地。[0044]其中，使用该积分电容配合PTAT电流源对输入电流做积分运算，得到与温度成正比的温度电压；由于该积分电容无需放大器，通过恒流源的大小即可调节输入模数转换单元的电压大小，因此，减小了整个电路面积与功率。[0045]所述模数转换单元22包括比较器C、第一触发器D1与第二触发器D2,所述比较器C的正相输入端连接带隙基准电压Vref，其正相输入端连接积分器21的输出端，其正相输出端连接第一触发器D1，所述第一触发器D1输出数字调制信号Dqut，其负相输出端连接第二触发器D2，所述第二触发器D2输出端连接所述反馈数模转换单元23。[0046]其中，所得的数字调制信号D™t的占空比与被测温度成正比，可采用数字调制信号DQUt的占空比来量化温度。由于不同的温度产生的数字调制信号D〇ut的周期不同，因此，随着温度的变化所产生数字调制信号Dg的周期也随之变化。[0047]所述反馈数模转换单元23包括第一NM0S管N1与第二NM0S管N2组成的差分对和第一恒流源11，所述第一NM0S管N1的栅极连接第二触发器D2的输出端，其漏极连接所述PTAT电流源I3的输入端;所述第二NM0S管N2的栅极连接第一触发器D1的非Q输出端，其漏极连接电源电压VCC，所述差分对的源极连接第一恒流源II的正极，所述第一恒流源〗2的负极接地。[0048]所述第一触发器D1与第二触发器D2均为D类触发器，且其控制端分别连接时钟信号CLK，所述比较器C优选为动态比较器。差分数模转换单元23可调节比较器负相端电压控制积分电容电压Cint充放电速度。[0049]数字滤波器3,用于将所述数字调制信号量化为数字信号并输出。[0050]具体地，所述数字滤波器3为数字低通滤波器，数字滤波器3的控制端连接时钟信号CLK。例如在调制器的输出级设有数字滤波器，数字滤波器的特性相对于温度稳定，所以，不会受温度影响，能够始终实现高精度的AD转换。LU〇51J本买施例中，本发明将温度传感器集成在被测电路同一芯片中，利用PTAT电流源与温度之间成正比例关系，一方面以脉宽调制PWM方式输出数字温度传感器电路，提高了测量精度;另一方面，直接测量芯片内部温度，将温度值量化转换为二进制编码便于数字处理电路与计算机处理，扩展其适用范围。[0052]在上述数字温度传感器电路的基础上，还包括电流调节模块，其分别连接PTAT电流源与积分器，用于调节输入积分器内的电流大小。所述电流调节模块为第二恒流源12，其正极连接PTAT电流源的输出端，其负极接地。为了充分利用量化电路的量化量程，我们引入不随温度变化的恒定电流源12，使得在检测温度范围内有：[0053]〇工3一l2Il⑵[0054]式⑵中，h为恒定电流源II电流值，12为恒定电流源12电流值。[0055]请参阅图2,为本发明提供的一种数字温度传感器电路图测量低温时工作波形图，详述如下：[0056]当温度很低时，接近所测试温度下限时，13-12接近零，这样13-12对积分电容Cint充电，由于电流小其充电缓慢。如果积分电容Cint初始电压为零，比较器C正相输入端连接一不随温度变化的带隙基准电压Vref，因此，比较器C正相输出端输出高电平，其负相输出端输出低电平。当时钟信号上升沿到来时，比较器C正、负相输出端的状态分别被D类触发器D1和D2锁存，导致第一触发器D1的非Q输出端D0UT为低电平，其Q输出端连接第二NM0S管N2的栅极为高电平，导通第二NM0S管N2使得第一恒流源11的电流被导向电源VCC。时钟信号在接下来的若干时钟周期内，电流13-12都对电容Cint充电，电容电压缓慢上升，D0UT—直保持为低电平，直到时钟信号到达时刻tl，致使电容电压超过带隙基准电压Vref，比较器C正相输出端从高电平转变为低电平，负相输出端从低电平转变为高电平。在接下来的时钟上升沿，如图2中时刻t2,比较器C正、负相输出端的状态分别被D类触发器D1和D2锁存，导致第一触发器D1的非Q输出端DOUT变为高电平，导致第一触发器D1的Q输出端为低电平，致使第一恒流源11的电流被导向节点A。电容以11-13-12电流大小放电。由于电流13-12接近零，大流II-13-12近似等于II。如图2,相比于充电速度，放电速度快很多，在一个时钟周期内，电容电压就下降到带隙基准电压Vref以下，比较器C正相输出端从低电平转变为高电平，负相输出端由高电平转变为低电平。当接下来的时钟上升沿到来时，在时钟信号时刻t3所示，比较器C正、负相输出端的状态分别被D触发器D1、D2锁存，DOUT转变为低电平，第一恒流源II的电流被导向电源VCC。在接下来的若干时钟周期内，电流13-12持续对电容Cint充电，电容电压缓慢上升，DOUT保持为低电平。当电路稳定后，DOUT呈现为一占空比（高电平持续时间与低电平持续时间之比很小的一脉冲信号。如图2所示，D0UT输出的部分方波波形图，实际上对于16位的量化精度，Dout占空比可达到0.002%图中显示的占空比为了便于表示，为精确显不）。[0057]同理，请参阅图3,为本发明提供的一种数字温度传感器电路图测量高温时工作波形图，详述如下：当温度很高时，接近所测试温度上限时，电流13_〗2接近II。电容Cint以大小接近II的电流充电，以大小接近零的电流放电。电容电压将上升很快，下降很慢，如图3所示，Dout表现为一占空比很高的脉冲信号，对16位的量化精度，Dout占空比可达"•的8%图中显示的占空比为了便于表示，为精确显示）。[0058]综上所述，Dout的占空比与被测温度成正比，可用D〇ut的占空比来量化温度。这里要注意，对于不同的温度，Dout的周期不一样。实际上图1中的积分电容Cint、比较器C、D类触发器D1和D2和差分对电路构成了一调制器sigma-delta。调制器的输出Dout经过数字滤波器I7滤波filter和抽取decimation后得到低速的16位二进制数字信号DO〜D15CD0〜D15便为所测温度信号的数字量化值。[0059]其中，数字滤波器3优选为数字低通滤波器，其具有精度高、可靠性高与易集成的优点，按算法可分化限幅滤波、中位值滤波、算术平均滤波、移动平均滤波、加权平均滤波、低通滤波、中位值平均滤波等，在此不一一赘述。[0060]请参阅图4，为本发明提供为图1中比较器的电路实施线路图，详述如下：[0061]当时钟信号CLK为低电平时，NM0S晶体管179截止，交叉耦合NM0S晶体管177、178无电流流过，不X作;开关PM0S晶体管开启，节点C柳短接，交叉耦合PM0S晶体管175、176的栅极、漏极短接，作为二极管工作。[0062]电压信号SP、SM分别作用于差分对晶体管173与172的栅极，把尾电流源174的电流重新再分配:当SP大于SM时，流过NM0S晶体管172的电流大于流过NM0S晶体管173的电流；当SM大于SP时，通过NM0S晶体管173的电流大于流过NM0S晶体管172的电流。[0063]当时钟信号CLK的上升沿到来，时钟信号CLK从低电平变为高电平。NM0S开关晶体管I79开启，交叉耦合NM0S晶体管177、1了8开始工作。同时，PM0S开关晶体管截止，节点C和D连接被断开，交叉耦合PM0S晶体管175、176的栅极、漏极连接被断开。[0064]如果在时钟信号上升沿到来时，电压信号SP大于SM，流过晶体管173的电流大于流过^体管I72的电流。节点C、D间的连接被断开后，节点D的电压将被拉低，节点C的电压将被拉高。交叉耦合NM0S晶体管1了7、178与交叉耦合PM0S晶体管175、176构成一正反馈，通过这一正反馈机构，节点D被速度拉至地电位GND，节点C被迅速拉至电源电压VCC。[0065]如果在时钟信号上升沿到来时，电压信号SM大于SP，流过晶体管172的电流大于流过晶体管173的电流。节点C、D间的连接被断开后，节点c的电压将被拉低，节点〇的电压将被拉咼。交叉耦合NM0S晶体管177、1了8与交叉耦合PM0S晶体管175、1了6构成一正反馈，通过这一正反馈机构，节点C被速度拉至地电位GND，节点D被迅速拉至电源电压VCC。[0066]PTAT电流源13、恒定电流源11和12、和带隙基准电压vref生产电路的设计请参考带隙基准电路相关书箱文献，在此不'赞述。[0067]综上所述，本发明将温度传感器集成在被测电路同一芯片中，利用PTAT电流源与温度之间成正比例关系，米用的sigma-delta调制模块调制PTAT电流，产生数字调制信号，其中，调制模块^省略了积分放大器，极大降低了功耗;以数字调制信号方式输出数字温度传感器电路，提高了测量精度；同时，直接测量芯片内部温度，将温度值量化转换为二进制编码便于数字处理电路与计算机处理，扩展其适用范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。[0068]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思雄、下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

权利要求：1.一种数字温度传感器电路，其特征在于，包括：PTAT电流源，用于产生与绝对温度成正比的PTAT电流；sigma-delta调制模块，其包括积分器、模数转换单元与反馈数模转换单元，所述积分器用于将所述PTAT电流转化成温度电压;所述模数转换单元用于将所述温度电压与带隙基准电压比较生成占空比与温度成正比的数字调制信号;所述反馈数模转换单元用于调节模数转换单元输入的电压控制积分器充放电速度；数字滤波器，用于将所述数字调制信号量化为数字信号并输出。2.根据权利要求1所述的数字温度传感器电路，其特征在于，所述PTAT电流源的正极连接电源电压，其负极连接模数转换单元的输入端。3.根据权利要求1所述的数字温度传感器电路，其特征在于，所述积分器为积分电容，所述积分电容的一端分别连接所述PTAT电流源的输出端和模数转换单元的输入端，所述积分电容的另一端接地。4.根据权利要求1所述的数字温度传感器电路，其特征在于，所述模数转换单元包括比较器、第一触发器与第二触发器，所述比较器的正相输入端连接带隙基准电压，其正相输入端连接积分器的输出端，其正相输出端连接第一触发器，所述第一触发器输出数字调制信号，其负相输出端连接第二触发器，所述第二触发器输出端连接所述反馈数模转换单元。5.根据权利要求4所述的数字温度传感器电路，其特征在于，所述反馈数模转换单元包括第一NMOS管与第二NMOS管组成的差分对和第一恒流源，所述第一NMOS管的栅极连接第二触发器的输出端，其漏极连接所述PTAT电流源的输入端;所述第二NMOS管的栅极连接第一触发器的非Q输出端，其漏极连接电源电压，所述差分对的源极连接第一恒流源的正极，所述第一恒流源的负极接地。6.根据权利要求4或5所述的数字温度传感器电路，其特征在于，所述第一触发器与第二触发器均为D类触发器。7.根据权利要求4或5所述的数字温度传感器电路，其特征在于，所述第一、二触发器的控制端和数字滤波器的输入端分别连接时钟信号。8.根据权利要求1所述的数字温度传感器电路，其特征在于，还包括：电流调节模块，其分别连接PTAT电流源与积分器，用于调节输入积分器内的电流大小。9.根据权利要求8所述的数字温度传感器电路，其特征在于，所述电流调节模块为第二恒流源，其正极连接PTAT电流源，其负极接地。10.根据权利要求1所述的数字温度传感器电路，其特征在于，所述数字滤波器为数字低通滤波器。

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