一種基於基準源的溫度傳感器電路的製作方法
2023-04-29 00:09:36 1
一種基於基準源的溫度傳感器電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於基準源的溫度傳感器電路，包括：基準源模塊，將輸入電壓轉換生成與絕度溫度成正比的PTAT電壓，並提供給溫度傳感器模塊；溫度傳感器模塊，連接所述基準源模塊，並將溫度信號轉化為模擬電壓信號。利用基準源熱電壓與溫度成線性的關係，採用基準源產生PTAT電壓的方式來設計溫度傳感器。使得電路系統對於溫度的監測更加精準，解決了利用電阻的溫度係數設計的溫度傳感器的高階溫度影響係數對溫度傳感器模塊的影響問題。
【專利說明】
一種基於基準源的溫度傳感器電路
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種電路結構，尤其涉及一種基於基準源的溫度傳感器電路。
【背景技術】
[0002]隨著社會的不斷進步，各種精密儀器的不斷誕生，使得對於檢測精度的要求也隨之提高，尤其是對於整個電路系統的溫度的監測，因為其關乎整個電路系統的正常運行以及精確監測。為了提高整個電路系統溫度的穩定性及對電路系統中溫度的進行監測，電路設計者會考慮在電路系統中設計溫度傳感器模塊，這樣做有兩個好處，其一，是利用外部溫度補償的方法提高整個電路系統溫度的穩定性，其二，通過溫度傳感器模塊將溫度信號轉換為電信號從而實現對電路系統的溫度進行監測。
[0003]一般大多採用第二種方式將溫度信號轉換為電信號從而實現對電路系統的溫度進行監測。傳統中將溫度信號轉換為電信號方式包括:利用電阻的溫度係數，即溫度變化導致電阻值得變化，從而使得電信號產生變化；利用MOS管閥值電壓的溫度係數。該兩種方法都可以實現對電路系統中溫度的監測，但是前者由於高階溫度影響係數的存在，而使得溫度傳感器的線性度低，從而監測的精度較低。後者雖然精度有所提高，但是MOS管得閥值電壓與工藝的關係較大，使得整個溫度傳感器電路的一致性較差，從而導致整體效果不佳。
實用新型內容
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、成本低、監測精度高、一致性好的溫度傳感器電路。
[0005]為了解決以上技術問題，本實用新型一種基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，包括:基準源模塊，將輸入電壓轉換生成與絕度溫度成正比的PTAT電壓，並提供給溫度傳感器模塊；溫度傳感器模塊，連接所述基準源模塊，並將溫度信號轉化為模擬電壓信號。
[0006]優選的，所述溫度傳感器模塊為電壓串聯負反饋電路。
[0007]優選的，所述溫度傳感器模塊為同相比例運算電路。
[0008]優選的，所述同相比例運算電路包括運算放大器A2、電阻器R7、電阻器R8，PTAT電壓進入所述運算放大器A2正向輸入端，所述運算放大器A2反向輸入端與所述電阻器R7的一端和所述電阻器R8的一端的相連，所述電阻器R7的另一端與所述運算放大器A2的輸出端相連，所述電阻器R8的另一端連接到地。
[0009]優選的，所述基準源模塊包括還包括基準電壓輸出端。
[0010]優選的，所述基準源模塊包括Brokaw帶隙基準電壓源。
[0011 ] 優選的，所述Brokaw帶隙基準電壓源包括電阻器Rl，其一端與電源電壓Vin相連，另一端與運算放大器Al的正向輸入端及雙極型電晶體Ql的集電極相連；電阻器R2，其一端與電源電壓Vin相連，另一端與運算放大器Al的反向輸入端及雙極型電晶體Q2的集電極相連；雙極型電晶體Ql的發射極與節點a相連，雙極型電晶體Q2的發射極通過電阻器R3與節點a相連；電阻器R4 —端與節點a相連，另一端與地相連；雙極型電晶體Ql、Q2的基極相連。
[0012]優選的，所述Brokaw帶隙基準電壓源還包括用於提升基準電壓的分壓電路。
[0013]優選的，所述分壓電路包括電阻器R5、R6，所述電阻器R5、R6同時與雙極型電晶體QU Q2的基極相連，電阻器R5的另一端與運算放大器Al的輸出端，電阻器R6的另一端接地。
[0014]優選的，所述Brokaw帶隙基準電壓源還包括用於提高基準電壓輸出穩定性的補償電容器CL，電容器CL的一端及基準電壓輸出端VMf相連，電容器CL的另一端接地。
[0015]利用基準源熱電壓與溫度成線性的關係，採用基準源產生PTAT(與絕對溫度成正比)電壓的方式來設計溫度傳感器。使得電路系統對於溫度的監測更加精準，去除了高階溫度影響係數對溫度傳感器模塊的影響。
[0016]同時，基準源採用Brokaw帶隙基準電壓源，使得基準源產生的PTAT電壓僅與兩個電晶體得PN結壓降Vbe有關，一般情況下，Vbe由電晶體的發射結提供，而其與電源電壓幾乎無關，所以由此得到的PTAT電壓與電源電壓無關，由此PTAT電壓能夠與溫度產生非常好的線性關係，而且此PTAT電壓也同時用來設計高精度的基準源電路，因此能夠用來實現高線性度和高精度的溫度傳感器。
[0017]本基準源電路採用Brokaw單元的結構，而Brokaw單元的優點為:Bandgap結構，電路一致性好；低溫度漂移；能夠抑制電路中非理想因素對於電路輸出的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的詳細說明:
[0019]圖1是本實用新型基於基準源的溫度傳感器電路的實施例的電路示意圖；
[0020]圖2是本實用新型基於基準源的溫度傳感器電路的實施例的電路在模式電路系統中應用的框圖；
[0021]圖3是本實用新型基於基準源的溫度傳感器電路的實施例的電路在數字電路系統中應用的框圖；
[0022]圖4是本實用新型基於基準源的溫度傳感器電路的實施例的電路模擬數字混合電路系統中應用的框圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例:
[0024]本實用新型一種基於基準源的溫度傳感器電路，包括:基準源模塊，將輸入電壓轉換生成與絕度溫度成正比的PTAT電壓，溫度傳感器模塊，連接所述基準源模塊，並將溫度信號轉化為模擬電壓信號。
[0025]如圖1所示，基準源模塊I包括PTAT電壓輸出節點a，以及基準電壓Vief輸出端，其中PTAT電壓的輸出節點a連接溫度傳感器模塊2。在本實施例中，所述溫度傳感器模塊2為一個同相比例運算電路，所述同相比例運算電路包括運算放大器A2、電阻器R7、電阻器R8，PTAT電壓進入所述運算放大器A2正向輸入端，所述運算放大器A2反向輸入端與所述電阻器R7的一端和所述電阻器R8的一端的相連，所述電阻器R7的另一端與所述運算放大器A2的輸出端相連，所述電阻器R8的另一端連接到地。
[0026]根據同相比例運算電路的特性，運算放大器A2的淨輸入電壓為零，淨輸入電流為零，因此，Vtsen = (l+R7/R8)Va，其中Va即為節點a出的電壓，及基準源提供的熱電壓PTAT。由此可知，溫度傳感器模塊輸出的電壓取決於Va、電阻器R7以及電阻器R8的關係。
[0027]如圖1所示，所述基準源模塊2包括Brokaw帶隙基準電壓源。所述包括Brokaw帶隙基準電壓源，電阻器R1，其一端與電源電壓Vin相連，另一端與運算放大器Al的正向輸入端及雙極型電晶體Ql的集電極相連；電阻器R2，其一端與電源電壓Vin相連，另一端與運算放大器Al的反向輸入端及雙極型電晶體Q2的集電極相連；雙極型電晶體Ql的發射極與節點a相連，雙極型電晶體Q2的發射極通過電阻器R3與節點a相連；電阻器R4 —端與節點a相連，另一端與地相連；雙極型電晶體Ql、Q2的基極相連，並與電阻器R5、電阻器R6的一端相連；電阻器R5的另一端與運算放大器Al的輸出端、電容器CL的一端及基準電壓輸出端Vref相連；電阻器R6的另一端接地，電容器CL的另一端接地。
[0028]帶隙基準電壓源是通過一個與絕對溫度成正比的電壓和兩個電晶體的基極-發射極的電壓差相加而得到的一個直流電壓，而Brokaw結構指其運算放大器採用了差分結構，由此具有了大增益和小失調的電壓，使運算放大器對基準核心電路的影響減弱。即:VMf=VBE+KVa。一般情況下，Vbe由電晶體的發射結提供，Va由兩個電晶體得PN結壓降Vbe之差提供，將上式對溫度求導，通過選擇適當的k值，可以得到在某一溫度下，電路的溫度係數為零，由此，即說明得到得基準電壓與熱電壓都與電源輸入電壓以及溫度係數無關。
[0029]由於基準電壓與輸入電壓無關，一般情況下，基準電壓源輸出的基準電壓都比較低，本實施例給出了利用分壓的關係提升了基準電壓值，當然，如果電路系統中所需要的基準電壓值不高的情況下，也可以不設置該電路，當然也可以利用其它方式提升基準電壓輸出值。補償電容也是根據對基準電壓的輸出要求而定。
[0030]在本實施例中給出的電阻器、電晶體以及電容器指等效後的，可以是單個元器件，也可以是多個器件的並串聯組合。
[0031 ] 本實施例中得基於基準源的溫度溫度傳感器電路，可以通過模擬電壓量來表現溫度，既可以實時監測晶片內部溫度，也可以利用此溫度傳感器的輸出電壓對系統進行溫度補償，以提高系統對溫度變化的穩定性。同時也可以當作基準源電路使用，為電路系統提供高精度、低溫漂的基準電壓。在需要溫度補償的模擬系統中，如圖2所示，使用本實用新型的基準源輸出作為系統中運算放大器的模擬地，可以減小溫度變化對運算放大器輸出信號的影響。對於無法進行內部溫度補償的部分，將系統輸出電壓Vo與溫度傳感器輸出Vtsm連接到一個加法器模塊進行溫度補償，可以得到溫度係數小的輸出電壓Vol。在需要溫度補償的數字系統中，如圖3所示，通過模擬數字轉換器將溫度傳感器輸出Vtsm轉換成數位訊號DTsm，再將數位訊號Do和DTsm連接到溫度補償計算模塊進行溫度補償，可以得到溫度係數小的數位訊號Dout。同理，本實用新型也可以在模擬數字混合系統中實現溫度補償功能，如圖4所示。其中，Do指受溫度變化影響較大的數字輸出，Dout指運算補償後受溫度變化影響很小的數字輸出。
[0032]利用基準源熱電壓與溫度成線性的關係，採用基準源產生PTAT(與絕對溫度成正比)電壓的方式來設計溫度傳感器。使得電路系統對於溫度的監測更加精準，解決了利用電阻的溫度係數設計的溫度傳感器的高階溫度影響係數對溫度傳感器模塊的影響問題。
[0033]同時，基準源採用Brokaw帶隙基準電壓源，使得基準源產生的PTAT電壓僅與兩個電晶體得PN結壓降Vbe有關，一般情況下，Vbe由電晶體的發射結提供，而其與電源電壓幾乎無關，所以由此得到的PTAT電壓與電源電壓無關，由此PTAT電壓能夠與溫度產生非常好的線性關係，而且此PTAT電壓也同時用來設計高精度的基準源電路，因此能夠用來實現高線性度和高精度的溫度傳感器。
[0034]本基準源電路採用Brokaw單元的結構，而Brokaw單元的優點為:Bandgap結構，電路一致性好；低溫度漂移；能夠抑制電路中非理想因素對於電路輸出的影響。
[0035]需要強調的是，本實用新型的保護範圍包含但不限於上述【具體實施方式】。應當指出，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些也應該被視為屬於本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，包括: 基準源模塊，將輸入電壓轉換生成與絕度溫度成正比的PTAT電壓，並提供給溫度傳感器模塊； 溫度傳感器模塊，連接所述基準源模塊，並將溫度信號轉化為模擬電壓信號。
2.根據權利要求1所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述溫度傳感器模塊為電壓串聯負反饋電路。
3.根據權利要求2所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述溫度傳感器模塊為同相比例運算電路。
4.根據權利要求3所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述同相比例運算電路包括運算放大器A2、電阻器R7、電阻器R8，PTAT電壓進入所述運算放大器A2正向輸入端，所述運算放大器A2反向輸入端與所述電阻器R7的一端和所述電阻器R8的一端的相連，所述電阻器R7的另一端與所述運算放大器A2的輸出端相連，所述電阻器R8的另一端連接到地。
5.根據權利要求1所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述基準源模塊包括還包括基準電壓輸出端。
6.根據權利要求5所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述基準源模塊包括Brokaw帶隙基準電壓源。
7.根據權利要求6所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述Brokaw帶隙基準電壓源包括電阻器R1，其一端與電源電壓Vin相連，另一端與運算放大器Al的正向輸入端及雙極型電晶體Ql的集電極相連；電阻器R2，其一端與電源電壓Vin相連，另一端與運算放大器Al的反向輸入端及雙極型電晶體Q2的集電極相連；雙極型電晶體Ql的發射極與節點a相連，雙極型電晶體Q2的發射極通過電阻器R3與節點a相連；電阻器R4 —端與節點a相連，另一端與地相連；雙極型電晶體Ql、Q2的基極相連。
8.根據權利要求7所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述Brokaw帶隙基準電壓源還包括用於提升基準電壓的分壓電路。
9.根據權利要求8所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述分壓電路包括電阻器R5、R6，所述電阻器R5、R6同時與雙極型電晶體Ql、Q2的基極相連，電阻器R5的另一端與運算放大器Al的輸出端，電阻器R6的另一端接地。
10.根據權利要求7所述的基於基準源的溫度傳感器電路，其特徵在於，所述Brokaw帶隙基準電壓源還包括用於提高基準電壓輸出穩定性的補償電容器CL，電容器CL的一端及基準電壓輸出端Vref相連，電容器CL的另一端接地。
【文檔編號】G01K7/00GK203965060SQ201420430277
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】李榮寬, 林傑, 薛曉軍, 周駿 申請人:嘉興市納傑微電子技術有限公司