一种CMOS温度传感器制造技术

本发明专利技术提供一种CMOS温度传感器。该CMOS温度传感器包括：基于三极管的延迟发生器，用于响应于输入的偏置电流输出占空比与温度成正比的PWM信号；电流控制振荡器，用于生成振荡频率信号，并基于所述振荡频率信号对所述PWM信号进行非线性补偿；时间数字转换器，用于将非线性补偿后的PWM信号的占空比转换为数字代码。根据本发明专利技术，能够解决现有的时域CMOS温度传感器因使用反相器以及采用外部参考时钟信号而导致自身精度降低的问题。号而导致自身精度降低的问题。号而导致自身精度降低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种CMOS温度传感器


[0001]本专利技术属于温度传感器
，更具体地，涉及一种CMOS温度传感器。

技术介绍

[0002]温度传感在处理器和存储器的热管理、智能温室环境监测、临床温度监测以及在可穿戴或植入系统的生理标志监测等方面发挥着重要作用。目前市场上有许多种温度传感器，比如热敏电阻传感器、热电偶传感器、电阻式温度传感器和基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺的温度传感器等。在众多的温度传感器中，CMOS温度传感器更受青睐，因为它不仅具有节能和高精度的优点，而且很容易与其他信号处理模块集成，形成一个紧凑的系统。
[0003]常见的采用CMOS技术实现的温度传感器可以分为三类：电压域CMOS温度传感器、频域CMOS温度传感器和时域CMOS温度传感器。其中，电压域CMOS传感器使用与温度相关的电压源和电压式模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)将温度信号转换为数字信号。频域CMOS温度传感器在频域内工作，使用与电压域CMOS温度传感器相似的结构，但是输出的频率依赖于温度。在时域CMOS温度传感器中，延迟发生器产生一个具有与温度相关的延迟数字脉冲，时间数字转换器(Time to Digital Converter,TDC)可以用一个简单的数字计数器来实现，测量延迟并生成相应的输出代码。
[0004]图1示出了一种典型的时域CMOS温度传感器的原理图。该CMOS温度传感器从时域数字恒温器发展而来。该温度传感器包括了偏移时间消除电路、与温度相关的延迟线(Temperature Dependent Delay Line,TDDL)、根据设定点值产生参考延迟的热补偿可调参考延迟线(Adjustable Reference Delay Line,ARDL)、用于鉴别时间差的时间比较器以及用于提供连续设定点编程的SAR(Successive Approximation Register)控制逻辑模块。其中，偏移时间消除电路仅由两个D触发器组成。每次开始比较时，外部参考时钟信号Start便作为两个D触发器的时钟输入。一个D触发器由Start信号的正边缘触发，输出信号t1作为与温度相关的延迟线的输入。类似的，Start信号的负边缘触发另一个D触发器，输出信号t2作为热补偿可调参考延迟线的输入。输出信号t1与输出信号t2之间的延迟差等于偏移时间，从而达到消除偏移时间的目的。与温度相关的延迟线由多个反相器组成，输出一个与测量温度成比例的延迟信号t
D
。热补偿可调参考延迟线也由多个反相器组成，利用二进制加权的方法来进行温度补偿，输出一个与输入的设定点值Set
‑
Point成比例的传播延迟信号t
A
。时间比较器仅用于确定传播延迟信号t
A
超前或者滞后延迟信号t
D
，时间比较器的输出Comp输入SAR控制逻辑模块，以决定是保留还是清除当前的SAR位。SAR控制逻辑模块由十个多输入移位寄存器组成，输出设定点的值来调整热补偿可调参考延迟线的延迟，使其不断地逼近与温度相关的延迟线的延迟。最终的设定点值为温度传感器的输出。
[0005]与电压域CMOS温度传感器和频域CMOS温度传感器相比，现有的时域CMOS温度传感器虽然可以实现更高的精度和较大的传感范围，但是仍然存在以下缺点：
[0006]一、与温度相关的延迟线和热补偿可调参考延迟线均采用多个反相器，而反相器
具有很高的非线性度，这将导致时域CMOS温度传感器的精度降低。
[0007]二、在偏移时间消除电路中，利用外部参考时钟信号Start作为D触发器的输入。在SAR控制逻辑模块中，移位寄存器的输入有外部参考时钟信号CLK。实际上，任何时钟信号都是不够精确的，由于受外部干扰和随机噪声等影响，时钟信号的实际周期频繁变化。因此，在实际设计中，非理想的时钟信号会给温度传感器的输出带来偏移误差。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于解决现有的时域CMOS温度传感器因使用反相器以及采用外部参考时钟信号而导致自身精度降低的问题。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提供一种CMOS温度传感器，该CMOS温度传感器包括：
[0010]基于三极管的延迟发生器，用于响应于输入的偏置电流输出占空比与温度成正比的PWM信号；
[0011]电流控制振荡器，用于生成振荡频率信号，并基于所述振荡频率信号对所述PWM信号进行非线性补偿；
[0012]时间数字转换器，用于将非线性补偿后的PWM信号的占空比转换为数字代码。
[0013]作为可选的是，所述延迟发生器包括比较器、数字处理器、第一三极管、第二三极管、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关和切换开关；
[0014]所述第一三极管和所述第二三极管均为PNP型三极管；
[0015]所述第二三极管的集电极、所述第二三极管的基极与所述第一三极管的基极的公共端、所述第一三极管的集电极和所述第一电容的第一端均接地；
[0016]所述第二三极管的发射极与所述第二电容的第一端相连；
[0017]所述第一电容的第二端、所述第一三极管的发射极和所述第二电容的第二端分别接入偏置电流源；
[0018]所述第一开关并接于所述第一电容，所述第二开关并接于所述第二电容，所述切换开关用于使所述比较器的同相输入端接入所述第一电容的第二端或者所述第二电容的第二端，所述比较器的反相输入端接入所述第一三极管的发射极；
[0019]所述数字处理器用于根据所述比较器的输出信号控制所述第一开关的开关状态、所述第二开关的开关状态以及所述切换开关的切换状态。
[0020]作为可选的是，所述数字处理器用于在一个PWM信号周期内依次控制重置后的第一电容和第二电容进行充电；
[0021]所述PWM信号的周期为所述第一电容的充电时间与所述第二电容的充电时间之和，所述PWM信号的占空比为所述第二电容的充电时间与PWM信号周期之比。
[0022]作为可选的是，充电后的第一电容的第二端的节点电压和充电后的第二电容的第二端的节点电压均等于所述第一三极管的基极与发射极之间的电压差。
[0023]作为可选的是，所述电流控制振荡器包括第一PMOS管至第七PMOS管、第一NMOS管至第三NMOS管以及第三电容；
[0024]所述第一PMOS管的源极、所述第二PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极均接入VDD端，所述第一PMOS管的栅极同时与所述第二PMOS管的栅极和所述第三PMOS管的栅极相连，所述第一PMOS管的漏极接入偏置电流源，所述第二PMOS管的漏极同时与所述第四PMOS
管的源极和所述第五PMOS管的源极相连，所述第三PMOS管的漏极同时与所述第六PMOS管的源极和所述第七PMOS管的源极相连；
[0025]所述第三电容的第一端同时与所述第四P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CMOS温度传感器，其特征在于，包括：基于三极管的延迟发生器，用于响应于输入的偏置电流输出占空比与温度成正比的PWM信号；电流控制振荡器，用于生成振荡频率信号，并基于所述振荡频率信号对所述PWM信号进行非线性补偿；时间数字转换器，用于将非线性补偿后的PWM信号的占空比转换为数字代码。2.根据权利要求1所述的CMOS温度传感器，其特征在于，所述延迟发生器包括比较器、数字处理器、第一三极管、第二三极管、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关和切换开关；所述第一三极管和所述第二三极管均为PNP型三极管；所述第二三极管的集电极、所述第二三极管的基极与所述第一三极管的基极的公共端、所述第一三极管的集电极和所述第一电容的第一端均接地；所述第二三极管的发射极与所述第二电容的第一端相连；所述第一电容的第二端、所述第一三极管的发射极和所述第二电容的第二端分别接入偏置电流源；所述第一开关并接于所述第一电容，所述第二开关并接于所述第二电容，所述切换开关用于使所述比较器的同相输入端接入所述第一电容的第二端或者所述第二电容的第二端，所述比较器的反相输入端接入所述第一三极管的发射极；所述数字处理器用于根据所述比较器的输出信号控制所述第一开关的开关状态、所述第二开关的开关状态以及所述切换开关的切换状态。3.根据权利要求2所述的CMOS温度传感器，其特征在于，所述数字处理器用于在一个PWM信号周期内依次控制重置后的第一电容和第二电容进行充电；所述PWM信号的周期为所述第一电容的充电时间与所述第二电容的充电时间之和，所述PWM信号的占空比为所述第二电容的充电时间与PWM信号周期之比。4.根据权利要求3所述的CMOS温度传感器，其特征在于，充电后的第一电容的第二端的节点电压和充电后的第二电容的第二端的节点电压均等于所述第一三极管的基极与发射极之间的电压差。5.根据权利要求1所述的CMOS温度传感器，其特征在于，所述电流控制振荡器包括第一PMOS管至第七PMOS管、第一NMOS管至第三NMOS管以及第三电容；所述第一PMOS管的源极、所述第二PMOS管的源极和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：卓华，薛文艳，宋长亮，李海兵，朱晓明，赵亿坤，麻瑞，王栋，杜炜，
申请(专利权)人：新疆维吾尔自治区计量测试研究院，
类型：发明
国别省市：