一種高精度寬輸出電壓的溫度傳感器的製作方法
2023-07-16 01:41:06
本發明涉及傳感器領域，特別涉及一種高精度寬輸出電壓的溫度傳感器。
背景技術：
溫度傳感器作為感知晶片環境溫度的模塊，是集成電路裡一個應用廣泛的組成部分。現有技術中，既有專門的溫度傳感器晶片，也可以集成在各類型通用集成電路裡，比如集成在通用處理器(mcu)、工業控制晶片、各類計量晶片等。其作用除了顯示當前溫度之外，還可以根據晶片溫度，對一些參數如晶體頻率、時鐘頻率、計量增益等進行溫度補償和校正。現有技術中，一個典型的溫度傳感器如圖1所示，由一個電流源i0、npn三極體q0和一個緩衝運放a0組成，當電流i0恆定時，npn三極體q0基極與發射極之間的電壓與溫度t呈線性關係，因此可以通過電壓的變化來反映溫度的變化，如圖2所示，為圖1所示溫度傳感器的電壓-溫度曲線圖。而a0則作為緩衝級，可以保證該溫度傳感器能夠驅動後續的adc電路。採用上述結構或者類似結構的溫度傳感器，有以下不足之處：
(1)溫度曲線的線性度不足，電壓和溫度的擬合公式裡含有較高的二次以上分量係數，給計算帶來較大複雜度；
(2)溫度曲線的係數受集成電路工藝參數的偏差影響較大，在批量生產的時候無法很好保證一致性；
(3)溫度傳感器產生的信號幅度不足，如圖2所示，在-40～120℃範圍內，溫度信號的電壓範圍在550mv～850mv之間，只有300mv，或1.875mv/℃，這對溫度傳感器後面的adc精度提出了很高的要求。
技術實現要素：
本發明旨在至少解決常規溫度傳感器輸出電壓信號小、電壓-溫度曲線參數受集成電路生產工藝影響大等問題。
為此，本發明的一個目的在於提出一種高精度寬輸出電壓的溫度傳感器,該溫度傳感器輸出電壓範圍較大，且精度高。
為了實現上述目的，本發明的一個實施例提出了一種高精度寬輸出電壓的溫度傳感器，包括溫度信號生成電路、溫度信號放大電路、電壓動態抬升電路和放大器直流偏置消除電路，
所述溫度信號生成電路用於根據檢測到的溫度生成對應的溫度信號；
所述溫度信號放大電路用於對所述溫度信號進行放大；
所述電壓動態抬升電路用於提高所述所述溫度信號放大電路的放大倍數以增加所述溫度信號的放大範圍；
所述放大器直流偏置消除電路用於將放大後的溫度信號中的直流偏置調製到高頻。
根據本發明實施例的溫度傳感器，不僅可以通過溫度信號放大電路對生成的溫度信號，即電壓信號進行一次放大，從而提高輸出電壓的電壓範圍，同時採用了電壓動態抬升電路，提高了溫度信號放大電路的放大倍數，從而進一步增加了所述電壓信號的放大範圍；不僅如此，本實施例的溫度傳感器還設置了放大器直流偏置消除電路，解決了直流偏置的幹擾，提高了溫度傳感器的精度。
另外，根據本發明上述實施例的高精度寬輸出電壓的溫度傳感器還可以具有如下附加的技術特徵：
在一些示例中，所述溫度信號生成電路包括並聯的第一電信號生成支路和第二電信號生成支路，所述第一電信號生成支路包括串聯的電流源i0和三極體q0，所述電流源i0連接所述三極體q0的集電極，所述三極體q0的發射集接地，所述三極體q0的基極和集電極短接；所述第二電信號生成支路包括串聯的電流源i1和三極體q1，所述電流源i1連接所述三極體q1的集電極，所述三極體q1的發射集接地，所述三極體q1的基極和集電極短接；所述溫度信號為三極體q0發射結電壓和三極體q1發射結電壓之差。
在一些示例中，所述溫度信號放大電路包括放大器a0、放大器a1、電阻r0、r1、r2和r3，所述放大器a0的同相輸入端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述放大器a0的反向輸入端經電阻r0連接到放大器a0的輸出端，所述放大器a0輸出端連接溫度傳感器的輸出正極outp；所述放大器a1的同相輸入端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述放大器a1的反向輸入端經電阻r3連接到放大器a1的輸出端，所述放大器a1輸出端連接溫度傳感器的輸出負極outn；所述電阻r1一端連接到電阻r0和放大器a0反向輸入端之間，所述電阻r1另一端經電阻r2連接到電阻r3和放大器a1反向輸入端之間。
在一些示例中，所述放大器直流偏置消除電路包括控制器、第一開關組和第二開關組，所述第一開關組包括開關s0、開關s1、開關s2和開關s3，所述第二開關組包括開關s4、開關s5、開關s6和開關s7，
所述開關s0一端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述開關s0另一端連接放大器a0的同相輸入端，
所述開關s1一端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述開關s1另一端連接放大器a1的同相輸入端，
所述開關s2一端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述開關s2另一端連接放大器a1的同相輸入端，
所述開關s3一端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述開關s3另一端連接放大器a0的同相輸入端；
所述開關s4一端連接放大器a0的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出正極outp；
所述開關s5一端連接放大器a1的輸出端，所述開關s5另一端連接溫度傳感器的輸出正極outp；
所述開關s6一端連接放大器a0的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出負極outn；
所述開關s7一端連接放大器a1的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出負極outn；
所述控制器用於採用第一時鐘信號控制開關s0、s2、s4和s7，且用於採用第二時鐘信號控制開關s1、s3、s5和s6，所述第一時鐘信號和第二時鐘信號不交疊。
在一些示例中，所述溫度信號放大電路還包括放大器a3和放大器a4，所述放大器a3正向輸入端連接放大器a0的輸出端，所述放大器a3的反向輸入端連接放大器a3的輸出端，所述放大器a3輸出端連接溫度傳感器的輸出正極outp；所述放大器a4正向輸入端連接放大器a1的輸出端，所述放大器a4的反向輸入端連接放大器a4的輸出端，所述放大器a4輸出端連接溫度傳感器的輸出負極outn。
在一些示例中，所述放大器直流偏置消除電路包括控制器、第一開關組和第二開關組，所述第一開關組包括開關s0、開關s1、開關s2和開關s3，所述第二開關組包括s4、s5、s6和s7，
所述開關s0一端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述開關s0另一端連接放大器a0的同相輸入端，
所述開關s1一端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述開關s1另一端連接放大器a1的同相輸入端，
所述開關s2一端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述開關s2另一端連接放大器a1的同相輸入端，
所述開關s3一端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述開關s3另一端連接放大器a0的同相輸入端；
所述開關s4一端連接放大器a3的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出正極outp；
所述開關s5一端連接放大器a4的輸出端，所述開關s5另一端連接溫度傳感器的輸出正極outp；
所述開關s6一端連接放大器a3的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出負極outn；
所述開關s7一端連接放大器a4的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出負極outn；
所述控制器用於採用第一時鐘信號控制開關s0、s2、s4和s7，且用於採用第二時鐘信號控制開關s1、s3、s5和s6，所述第一時鐘信號和第二時鐘信號不交疊。
在一些示例中，所述電壓動態抬升電路包括與所述第一電信號生成支路和第二電信號生成支路並聯的電壓抬升支路，所述電壓抬升支路包括串聯的電流源i2和三極體q2，所述電流源i2連接所述三極體q2的集電極，所述三極體q2的發射集接地，所述三極體q2的基極和集電極短接；所述電流源i2和三極體q2集電極的公共端通過導線連接到電阻r1和電阻r2之間。
在一些示例中，所述電壓動態抬升電路還包括放大器a2，所述放大器a2的同相輸入端連接到電流源i2和三極體q2集電極之間，所述放大器a2的反向輸入端連接放大器a2的輸出端，且所述放大器a2的輸出端連接到電阻r1和電阻r2之間。
在一些示例中，所述三極體q0、三極體q1和三極體q2為pnp三極體或者npn三極體。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
圖1為現有技術溫度傳感器的電路結構圖；
圖2為圖1所示的溫度傳感器的電壓-溫度曲線圖；
圖3為本發明實施例1提供的高精度寬輸出電壓的溫度傳感器的連接示意圖；
圖4為本發明實施例2提供的高精度寬輸出電壓的溫度傳感器的電路結構圖；
圖5為本發明實施例2中第一時鐘信號ck和第二時鐘信號ck_n的波形圖；
圖6為本發明實施例3提供的高精度寬輸出電壓的溫度傳感器的電路結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
以下結合附圖描述根據本發明實施例的高精度寬輸出電壓的溫度傳感器
圖3為本發明實施例1提供的高精度寬輸出電壓的溫度傳感器的連接示意圖，如圖3所示，包括溫度信號生成電路、溫度信號放大電路、電壓動態抬升電路和放大器直流偏置消除電路，
所述溫度信號生成電路用於根據檢測到的溫度生成對應的溫度信號；
所述溫度信號放大電路用於對所述溫度信號進行放大；
所述電壓動態抬升電路用於提高所述溫度信號放大電路的放大倍數以增加所述溫度信號的放大範圍；
所述放大器直流偏置消除電路用於將放大後的溫度信號中的直流偏置調製到高頻。
根據本發明實施例的溫度傳感器，不僅可以通過溫度信號放大電路對生成的溫度信號，即電壓信號進行一次放大，從而提高輸出電壓的電壓範圍，同時採用了電壓動態抬升電路，提高了溫度信號放大電路的放大倍數，從而進一步增加了所述電壓信號的放大範圍；不僅如此，本實施例的溫度傳感器還設置了放大器直流偏置消除電路，將放大後的溫度信號中的直流偏置調製到高頻,以通過接收所述溫度信號的模數轉換器所帶的濾波器進行濾除,解決了直流偏置的幹擾，提高了溫度傳感器的精度。
圖4為本發明實施例2提供的高精度寬輸出電壓的溫度傳感器的電路結構圖，如圖4所示，所述溫度信號生成電路包括並聯的第一電信號生成支路和第二電信號生成支路，所述第一電信號生成支路包括串聯的電流源i0和三極體q0，所述電流源i0連接所述三極體q0的集電極，所述三極體q0的發射集接地，所述三極體q0的基極和集電極短接；所述第二電信號生成支路包括串聯的電流源i1和三極體q1，所述電流源i1連接所述三極體q1的集電極，所述三極體q1的發射集接地，所述三極體q1的基極和集電極短接；所述溫度信號為三極體q0發射結電壓和三極體q1發射結電壓之差。上述實施例中，q0和q1是npn類型，但使用pnp類型的三極體同樣是可以的。
上述實施例2中，通過設置i0、i1不一樣的電流大小，以及q0、q1不同的面積尺寸，使得兩個三極體單位面積上的電流大小不一樣，即電流密度不同，則兩個三極體的發射結電壓v_be之差具有正的溫度係數，即
其中m是q0、q1的發射級面積之比，n是i1、i0的電流之比，m和n可以都取>1的值，也可以m＝1，n>1或者n＝1，m>1，從而使具有正的溫度係數。
但是通常來說的信號比較小，在-40～120℃範圍內，溫度信號的電壓範圍在70mv～108mv之間，只有38mv，因此必須放大。本實施例溫度信號放到電路的放大功能通過放大器a0、a1和電阻r0、r1、r2、r3組成的儀表放大器結構實現。具體的，所述溫度信號放大電路包括放大器a0、放大器a1、電阻r1、r2、r3和r4，所述放大器a0的同相輸入端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述放大器a0的反向輸入端經電阻r0連接到放大器a0的輸出端，所述放大器a0輸出端連接溫度傳感器的輸出正極outp；所述放大器a1的同相輸入端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述放大器a1的反向輸入端經電阻r3連接到放大器a1的輸出端，所述放大器a1輸出端連接溫度傳感器的輸出負極outn；所述電阻r1一端連接到電阻r0和放大器a0反向輸入端之間，所述電阻r1另一端經電阻r2連接到電阻r3和放大器a1反向輸入端之間。此時放大倍數為：
放大倍數仍然不能設得太大，原因是雖然q0、q1的溫度係數為正，但兩個v_be自身的溫度係數為負，因此a1的輸出電壓隨著溫度升高是變小的，在放大倍數增加到一定程度，高溫時的a1的輸出電壓即接近0v，從而引起截止失真，因此即使採用溫度信號放大電路對輸出電壓進行放大，當放大倍數達到最大時，在-40～120℃範圍內，放大後的溫度信號的電壓範圍在0.67v～1.11v之間，只有440mv，即2.75mv/℃，仍然不算大。當然,在其他實施例中,也可以採用其他連接形式的放大電路對溫度信號進行放大,均在本發明的保護範圍以內。
為解決a1輸出電壓在高溫下接近0v，從而限制溫度信號最大信號範圍的問題，本發明引入電壓動態抬升電路，如圖4所示，所述電壓動態抬升電路包括與所述第一電信號生成支路和第二電信號生成支路並聯的電壓抬升支路，所述電壓抬升支路包括串聯的電流源i2和三極體q2，所述電流源i2連接所述三極體q2的集電極，所述三極體q2的發射集接地，所述三極體q2的基極和集電極短接；所述電流源i2和三極體q2集電極的公共端通過導線連接到電阻r1和電阻r2之間。通過設置i2的電流、q2的發射級面積等參數，使得q2的v_be比q0和q1的v_be更低，從而通過儀表放大器放大的時候，a0、a1的輸出電壓都會有相應的電壓抬升，抬升的幅度為：
由於q2的v_be也具有隨溫度升高而下降的特性，並且通過參數設置，可以使其下降的速度比q0、q1的v_be更快，因此能夠隨溫度動態的抬高放大器a0、a1的輸出電壓水平，使其不會因為輸出接近0v而限制溫度信號放大倍數的提高。通過設置該電壓動態抬升電路，當放大倍數達到最大時，在-40～120℃範圍內，放大後的溫度信號的電壓範圍在1.71v～2.86v之間，即放大到1.15v,即7.19mv/℃，是未經抬升的2.6倍，從而大大降低了對後續adc精度的要求。
上述實施例2中，所述放大器直流偏置消除電路包括控制器、第一開關組和第二開關組，所述第一開關組包括開關s0、開關s1、開關s2和開關s3，所述第二開關組包括開關s4、開關s5、開關s6和開關s7，
所述開關s0一端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述開關s0另一端連接放大器a0的同相輸入端，
所述開關s1一端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述開關s1另一端連接放大器a1的同相輸入端，
所述開關s2一端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述開關s2另一端連接放大器a1的同相輸入端，
所述開關s3一端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述開關s3另一端連接放大器a0的同相輸入端；
所述開關s4一端連接放大器a0的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出正極outp；
所述開關s5一端連接放大器a1的輸出端，所述開關s5另一端連接溫度傳感器的輸出正極outp；
所述開關s6一端連接放大器a0的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出負極outn；
所述開關s7一端連接放大器a1的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出負極outn；
所述控制器用於採用第一時鐘信號控制開關s0、s2、s4和s7，且用於採用第二時鐘信號控制開關s1、s3、s5和s6，所述第一時鐘信號和第二時鐘信號不交疊，即兩個時鐘信號頻率相同，且第一時鐘信號的低電平對應第二時鐘信號的高電平。
上述實施例2中，a0和a1的直流偏置(offset)會出現在溫度傳感器的輸出信號中。為解決直流偏置的幹擾，本實施例引入了放大器直流偏置消除電路，由放大器輸入端的開關s0、s1、s2、s3和放大器輸出端的開關s4、s5、s6、s7組成。這些開關由2個不交疊的第一時鐘信號ck和第二時鐘信號ck_n控制，其中開關s0、s2、s4、s7由第一時鐘信號ck控制，開關s1、s3、s5、s6由第二時鐘信號ck_n控制。本實施例中，第一時鐘信號ck和第二時鐘信號ck_n的波形如圖5所示，通過第一時鐘信號ck和第二時鐘信號ck_n的調製，可將放大器的offset調製到高頻，進而由adc所帶的濾波器濾除。
圖6為本發明實施例3提供的高精度寬輸出電壓的溫度傳感器的電路結構圖，如圖6所示，所述溫度信號放大電路還包括放大器a3和放大器a4，所述放大器a3正向輸入端連接放大器a0的輸出端，所述放大器a3的反向輸入端連接放大器a3的輸出端，所述放大器a3輸出端連接溫度傳感器的輸出正極outp；所述放大器a4正向輸入端連接放大器a1的輸出端，所述放大器a4的反向輸入端連接放大器a4的輸出端，所述放大器a4輸出端連接溫度傳感器的輸出負極outn。由於a0、a1放大器有信號放大功能，因此其帶寬相應的較窄，如果後續要驅動的adc工作頻率太快，會存在驅動能力不足的問題，因此放大器a3、a4作為溫度信號的緩衝級，可以提供更強的驅動能力。當然如果後續的adc工作頻率一般，則a3、a4可以省去。此時，所述放大器直流偏置消除電路包括控制器、第一開關組和第二開關組，所述第一開關組包括開關s0、開關s1、開關s2和開關s3，所述第二開關組包括s4、s5、s6和s7，如圖6所示，
所述開關s0一端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述開關s0另一端連接放大器a0的同相輸入端；
所述開關s1一端連接到電流源i1和三極體q1集電極之間，所述開關s1另一端連接放大器a1的同相輸入端；
所述開關s2一端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述開關s2另一端連接放大器a1的同相輸入端；
所述開關s3一端連接到電流源i0和三極體q0集電極之間，所述開關s3另一端連接放大器a0的同相輸入端；
所述開關s4一端連接放大器a3的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出正極outp；
所述開關s5一端連接放大器a4的輸出端，所述開關s5另一端連接溫度傳感器的輸出正極outp；
所述開關s6一端連接放大器a3的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出負極outn；
所述開關s7一端連接放大器a4的輸出端，所述開關s4另一端連接溫度傳感器的輸出負極outn；
所述控制器用於採用第一時鐘信號控制開關s0、s2、s4和s7，且用於採用第二時鐘信號控制開關s1、s3、s5和s6，所述第一時鐘信號和第二時鐘信號不交疊，即兩個時鐘信號頻率相同，且第一時鐘信號的低電平對應第二時鐘信號的高電平。上述實施例3中，a0、a1、a3、a4的直流偏置(offset)會出現在溫度傳感器的輸出信號中。為解決直流偏置的幹擾，本實施例引入了放大器直流偏置消除電路，由放大器輸入端的開關s0、s1、s2、s3和放大器輸出端的開關s4、s5、s6、s7組成。這些開關由2個不交疊的第一時鐘信號ck和第二時鐘信號ck_n控制，其中開關s0、s2、s4、s7由第一時鐘信號ck控制，開關s1、s3、s5、s6由第二時鐘信號ck_n控制，通過第一時鐘信號ck和第二時鐘信號ck_n的調製，可將放大器的offset調製到高頻，進而由adc所帶的濾波器濾除。
如圖6所示，實施例3中，所述電壓動態抬升電路還包括放大器a2，所述放大器a2的同相輸入端連接到電流源i2和三極體q2集電極之間，所述放大器a2的反向輸入端連接放大器a2的輸出端，且所述放大器a2的輸出端連接到電阻r1和電阻r2之間。本實施例中，上述放大器a2的作用也是作為電壓緩衝級，從而可以提供更強的驅動能力，更加適用於要求較高的場合。
應當理解，本發明的各部分可以用硬體、軟體、固件或它們的組合來實現。在上述實施方式中，多個步驟或方法可以用存儲在存儲器中且由合適的指令執行系統執行的軟體或固件來實現。例如，如果用硬體來實現，和在另一實施方式中一樣，可用本領域公知的下列技術中的任一項或他們的組合來實現：具有用於對數據信號實現邏輯功能的邏輯門電路的離散邏輯電路，具有合適的組合邏輯門電路的專用集成電路，可編程門陣列(pga)，現場可編程門陣列(fpga)等。
本技術領域的普通技術人員可以理解實現上述實施例方法攜帶的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬體完成，所述的程序可以存儲於一種計算機可讀存儲介質中，該程序在執行時，包括方法實施例的步驟之一或其組合。
此外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以採用硬體的形式實現，也可以採用軟體功能模塊的形式實現。所述集成的模塊如果以軟體功能模塊的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。
上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁碟或光碟等。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。