時間域集成溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明所述時間域集成溫度傳感器采用經過整形后的時鐘信號對電容充電時間進行控制，使得電容產生與輸入時鐘周期相關的充電延時信號，一路PTAT電流按照以上的控制方式為電容充電產生的延時信號和一路CTAT電流按照同樣方式為電容充電產生的延遲信號經過邏輯異或運算，產生其寬度與溫度和輸入時鐘周期均相關的脈沖信號；于是采用同一輸入時鐘信號對該脈沖信號的脈沖寬度進行量化，得到的量化結果與輸入時鐘的周期的相關性完全抵消，即溫度傳感器的輸出值與輸入時鐘信號的周期無關，解決了現有時間域集成溫度傳感器隨其時鐘信號周期變化而讀數不一致的問題，一定程度提高了時間域集成溫度傳感器的精度。
【專利說明】時間域集成溫度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及溫度傳感器【技術領域】，具體是指一種在時間域對溫度傳感器所測量的溫度值作信號處理的集成溫度傳感器。
【背景技術】
[0002]目前在醫療監控、家用電器、消費類電子、物聯網、智能感測、汽車電子、智能控制等領域對集成智能溫度傳感器的需求正不斷增長，同時對其精度也有了更為苛刻的要求。國內外研究機構與企業在集成智能溫度傳感器方面已經取得了一些研究成果，比如:Ching_Che Chung 等發表在((IEEE Proceedings of2010International Symposiumon Circuits and Systems》 的《An All-Digital Smart Temperature Sensor withAuto-Calibration in65nm CMOS Technology))> Poki Chen 等發表在〈〈IEEE Transactionson Circuits and Systems》期干丨 J 的《All-Digital Time-Domain Smart TemperatureSensor With an Inter-Batch Inaccuracy of-0.7 °C -+0.6 °C After One-PointCalibration〉〉、Yu-Shiang Lin 等發表在 IEEE Custom Integrated Circuit Conference會議的《An Ultra Low PowerlV, 220nff Temperature Sensor for Passive WirelessApplications》，以及香港科技大學以2012年2月I日公開的申請號為CN102338669A，名稱為《低電壓低功耗CMOS溫度傳感器》的發明專利。
[0003]以上的四款智能溫度傳感器技術均為業界普遍采用的在時間域作信號處理的集成溫度傳感器電路技術。這類在半導體芯片上實現的集成溫度傳感器的共同特征是:首先采用溫度采集與信號轉換元件將所測量的溫度信息轉換成其脈沖寬度與溫度相關的時間域脈沖信號，然后采用時間數字轉換器
[0004](Time-Digital-Converter:TDC)將該時間域脈沖信號的脈沖寬度轉換為多位數字碼流輸出，最后根據該多位數字碼流輸出與溫度的對應關系得出溫度讀數。圖1所示為現有的時間域溫度傳感器電路基本結構，包括所輸出的電流與溫度成正比例關系的PTAT(Proportional To Absolute Temperature)電流產生電路、所輸出的電流與溫度成反比例關系的CTAT(Complementary To Absolute Tempreature)電流產生電路、第一電平檢測電路與第二電平檢測電路、異或門以及計數器。所述PTAT電流產生電路和CTAT電流產生電路分別用于產生與溫度成正比和反比關系的電流信號Iptat與Ictat，并分別用Iptat與Ictat給第一電容和第二電容充電。當第一電容正端電壓達到第一電平檢測電路的閾值電壓后，第一電平檢測電路的輸出信號VP，D&生翻轉；當第二電容正端電壓達到第二電平檢測電路的閾值電壓后，第二電平檢測電路的輸出信號\D發生翻轉。所述第一電平檢測電路輸出信號^^^與第二電平檢測電路輸出信號VN，D連接至異或門的兩個輸入端，經過XOR (異或)處理后，輸出其脈沖寬度與溫度線形相關的脈沖信號PW。脈沖信號PW連接至計數器的使能端EN，計數器利用系統時鐘CLK對PW信號的脈沖寬度進行時間域的采樣，并轉換成時間域的離散數字脈沖方波信號，對該離散數字脈沖方波信號的計數結果按已知的對照關系得出溫度的讀數。[0005]這一實現方式在時鐘信號頻率不足夠精確的系統中存在著明顯不足，即時鐘信號頻率的變化，也就是其周期的變化，導致時間域脈沖寬度量化結果的變化，引起溫度傳感器讀數的誤差與讀數的不一致性。例如，在被動射頻識別標簽應用領域，集成在射頻識別標簽芯片中的溫度傳感器采用的時鐘信號是讀卡器設備經過發射端天線發出的載波信號，其經過射頻識別標簽芯片的時鐘恢復單元從接收的射頻場能量中提取得來，所以用該時鐘信號計數而得出的溫度讀數與讀卡器發射的載波頻率有關。根據該領域的相關規范和國際標準，讀卡器發出的載波頻率并不是一個嚴格準確的頻率，而是在一個相對較寬的頻率范圍內的任一頻率，如此一來，不同的讀卡器設備讀取的同一射頻識別標簽內溫度傳感器的溫度讀數之間將存在較大差異，各讀數出現明顯的不一致性。即便在相同的輸出頻率指標下，經過時鐘恢復電路提取出來的時鐘信號的周期隨電路參數、工作環境、制造工藝的變化也較大。因此，采用這種方式實現的時間域溫度傳感器的精度較低，針對不同時鐘信號，其讀數的一致性很差，嚴重限制了其應用范圍。
[0006]如專利CN102338669A《低電壓低功耗CMOS溫度傳感器》所公開的溫度傳感器，其工作原理如圖1及圖2所示。其中第一電容經過一段時間TP，D的充電，其正端電壓Vp升高到閾值電壓\TH，Vp經過第一電平檢測電路產生延時為TP，D的延時信號VP，D ;而第二電容經過一段時間TN，D的充電，其正端電壓Vn升高到閾值電&VN，TH，Vn經過第二電平檢測電路產生延時為TN，D的延時信號VN，D。Vp,D和VN，D分別輸入至異或邏輯門的兩個輸入端，經過異或邏輯運算后得到脈沖寬度與溫度線性相關的脈沖信號PW。脈沖信號PW輸出至計數器使能輸入端，使計數器在脈沖信號PW的高電平Tpw (即為PW的脈沖寬度)期間，以系統時鐘CLK為時鐘進行計數。例如計數結果為K (K為大于等于O的整數)，表示PW脈沖信號的脈沖寬度為K個時鐘周期，則根據預先設定的脈沖信號PW的脈沖寬度的量化結果K與溫度的對應關系，即得到溫度傳感器所測得的溫度讀數。
[0007]然而，專利CN102338669A《低電壓低功耗CMOS溫度傳感器》所公開的溫度傳感器的系統時鐘CLK直接采用射頻識別標簽射頻前端從讀卡器發射的場能量中恢復出的時鐘，因此，溫度傳感器的輸出值直接與射頻識別標簽接收到的載波頻率相關。目前，射頻識別業界標準并不嚴格規定讀卡器的載波頻率，因此，各廠家，甚至不同批次的讀卡器發射出的載波頻率存在較大差異，如此則導致溫度傳感器恢復出的系統時鐘CLK的周期亦存在較大差異。因此，即使是對于相同的脈沖寬度Tpw (表征了同一溫度)，采用從讀卡器A恢復出的系統時鐘CLKA，溫度傳感器計數結果為K個CLKA周期，如圖2所示；而采用從讀卡器B恢復出的系統時鐘CLKB，溫度傳感器計數結果為K-X個(X為自然數)CLKB周期，如圖3所示。綜上所述，對于同一溫度傳感器測量的同一溫度，采用不同的讀卡器便會讀出不同的溫度值，而溫度值為絕對量，顯然這樣的溫度傳感器的精度與一致性很差，缺乏實用性。
[0008]以上描述了不同溫度傳感器或不同應用場合造成的溫度傳感器的輸入時鐘信號周期偏差所造成的溫度傳感器的精度與一致性降低的問題。然而，同一溫度傳感器在進行一次溫度測量期間其時鐘信號的周期也可能發生變化，這是由于應用系統、電路噪聲、制造工藝等因素，導致時鐘信號周期隨時間的波動而發生變化。比如在射頻識別領域，讀卡器載波頻率的波動造成了無源射頻標簽從場能量中恢復出的時鐘信號的頻率的波動，時鐘信號頻率的波動，即周期的波動，很可能發生在溫度傳感器的一次測量期間。與以上情況類似，在溫度傳感器測量期間其時鐘信號的周期的變化也會影響時間域集成溫度傳感器的測量精度與一致性。
【發明內容】
[0009]現有技術中的時間域集成溫度傳感器的時鐘信號周期易受應用系統、電路參數、工作環境、制造工藝的影響而出現較大變化，為解決現有時間域集成溫度傳感器隨其時鐘信號周期的變化而讀數不一致的問題，本發明提供一種測量所得溫度讀數與時鐘信號周期無關的時間域集成溫度傳感器，從而保證了應用在時鐘信號頻率存在較大變化的場合(如集成在被動式射頻識別標簽中的時間域溫度傳感器)的時間域溫度傳感器讀數的一致性，一定程度上提高了時間域溫度傳感器的精度。
[0010]為解決上述問題，本發明所采取的技術方案為:時間域集成溫度傳感器，包括PTAT延時電路、CTAT延時電路、異或門以及計數器，所述異或門的兩個輸入端分別連接至PTAT延時電路的輸出端和CTAT延時電路的輸出端，所述異或門的輸出端與計數器的使能端連接，所述計數器的時鐘信號輸入端連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口，
[0011]所述PTAT延時電路包括PTAT電流產生電路、第一電容、第一開關和第一電平檢測電路，所述PTAT電流產生電路輸出端連接至第一電容的正極端和第一開關，以及所述第一電平檢測電路的輸入端，第一電容與第一開關并聯連接并接地，所述第一電平檢測電路的輸出端連接至所述異或門的第一輸入端，
[0012]所述CTAT延時電路包括CTAT電流產生電路、第二電容、第二開關和第二電平檢測電路，所述CTAT電流產生電路輸出端連接至第二電容的正極端和第二開關，以及所述第二電平檢測電路的輸入端，第二電容與第二開關并聯連接并接地，所述第二電平檢測電路的輸出端連接至所述異或門的第二輸入端，
[0013]所述PTAT電流產生電路的輸出端連接有第一開關單元，所述第一開關單元輸出端連接至第一電容的正極端，第一開關單元的控制端通過脈沖整形電路連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口；
[0014]所述CTAT電流產生電路的輸出端連接有第二開關單元，所述第二開關單元輸出端連接至第二電容的正極端，第二開關單元的控制端通過脈沖整形電路連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口；
[0015]所述脈沖整形電路輸入端連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口，脈沖整形電路輸出端分別連接至所述第一開關單元的控制端、第二開關單元的控制端，以及計數器的時鐘信號輸入端，用于將輸入的時鐘信號整形為與輸入時鐘信號的周期保持一致，且周期內高電平的時間為恒定時間的方波信號，并利用該方波信號控制所述第一開關單元和第二開關單元的閉合與斷開，以及采用該方波信號作為計數器的時鐘在脈沖信號高電平期間進行計數，計數結果即為脈沖信號脈沖寬度的量化結果。
[0016]更進一步的，所述第一開關單元與第二開關單元為第三開關或第一復合開關，所述第二開關單元為第四開關或第二復合開關。
[0017]本發明所述時間域集成溫度傳感器采用脈沖整形電路對輸入時鐘信號進行整形，整形后的方波信號與輸入時鐘信號具有相同的周期，而方波信號周期中正半周的高電平時間為整形電路所規定的恒定時間。用整形后的方波信號對電容充電時間進行控制，也即僅在該方波信號的高電平期間為電容進行充電，在該方波信號的低電平期間停止為電容充電。由不同周期的時鐘信號被整形成的方波信號具有嚴格相同的充電時間，和不相同的停止充電時間，因而電容以這種間歇的方式充電，電容正端達到電平檢測電路的翻轉閾值電壓所需的時間與輸入時鐘周期相關，因此電平檢測電路輸出的電壓信號(以下簡稱為延時信號)的上升沿的延時亦與輸入時鐘周期相關。一路PTAT電流按照以上的控制方式為電容充電產生的延時信號和一路CTAT電流按照同樣方式為電容充電產生的延遲信號經過邏輯異或運算，產生其寬度與溫度和輸入時鐘周期均相關的脈沖信號；于是采用同一輸入時鐘信號對該脈沖信號的脈沖寬度進行量化，得到的量化結果與輸入時鐘的周期的相關性完全抵消，即溫度傳感器的輸出值與輸入時鐘信號的周期無關，解決了現有時間域集成溫度傳感器隨其時鐘信號周期變化而讀數不一致的問題，一定程度提高了時間域集成溫度傳感器的精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1是現有技術中溫度傳感器電路結構框圖；
[0020]圖2是現有技術中溫度傳感器工作原理圖一；
[0021]圖3是現有技術中溫度傳感器工作原理圖二 ；
[0022]圖4是本發明所述溫度傳感器電路結構框圖；
[0023]圖5是本發明所述溫度傳感器電路實施例一結構圖；
[0024]圖6是本發明所述溫度傳感器電路實施例二結構圖；
[0025]圖7是本發明所述脈沖整形電路實施例一結構圖；
[0026]圖8是本發明所述脈沖整形電路實施例二結構圖；
[0027]圖9是本發明所述PTAT電流產生電路結構圖；
[0028]圖10是本發明所述CTAT電流產生電路結構圖；
[0029]圖11是所述電平檢測電路結構圖；
[0030]圖12是本發明所述溫度傳感器電路采用兩個不同頻率的時鐘信號工作時序圖的比較圖；
[0031]圖13是本發明實施例工作時序圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0033]圖4是本發明所述溫度傳感器電路結構框圖，所述溫度傳感器電路100包括PTAT延時電路1、CTAT延時電路2、異或門3以及計數器4，所述異或門3的兩個輸入端分別連接至PTAT延時電路I的輸出端和CTAT延時電路2的輸出端，所述異或門3的輸出端與計數器4的使能端EN連接，將由所述PTAT延時電路I產生的與溫度成正比的延時信號，和CTAT延時電路2產生的與溫度成反比的延時信號異或后的脈寬隨溫度變化的脈沖信號PW輸入至計數器4。所述計數器4的時鐘信號輸入端連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口 CLK，使計數器4利用時鐘信號CLK對上述脈寬隨溫度變化的脈沖信號PW進行量化，得到量化后的溫度信號Drat并輸出。
[0034]如圖4所示，所述PTAT延時電路I包括PTAT電流產生電路10、第一電容C1、第一開關S1和第一電平檢測電路12。所述PTAT電流產生電路10用于產生與溫度成正比的充電電流Iptat，其輸出端連接至第一電容C1的正極端和第一開關S1、以及第一電平檢測電路12的輸入端Vin ;所述第一電容C1與第一開關S1并聯連接并接地；所述第一電平檢測電路12的輸出端Vwt連接至所述異或門3的第一輸入端。
[0035]為保證充電電流Iptat開始為所述第一電容C1充電時第一電容C1的電荷量為零，以及所述計數器4的計數準確性，如圖4所示，Start信號輸入端口與所述第一開關S1連接，并控制所述第一開關S1在第一電容C1開始充電前閉合，與第一電容C1構成回路將所述第一電容C1上的電荷泄放到地，使第一電容C1正極端的電壓Vp為零。且所述Start信號輸入端口還與計數器4的復位端Reset連接,使所述計數器4在開始工作時清零。當所述充電電流Iptat開始為第一電容C1充電時，Start信號控制第一開關S1斷開，所述充電電流Iptat為第一電容C1充電并使得第一電容C1正極端的電壓Vp逐漸升高，當電壓Vp升高至大于第一電平檢測電路12的閾值電壓VP，TH時，第一電平檢測電路12發生翻轉，其輸出端Vwt輸出的電壓由低電平信號翻轉為高電平信號。
[0036]所述PTAT電流產生電路的輸出端還連接有第一開關單元11，所述第一開關單元11的輸入端與PTAT電流產生電路10的輸出端連接，其控制端通過脈沖整形電路5連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口，輸出端連接至第一電容C1的正極端。所述第一開關單元11用于根據時鐘信號的時鐘周期間斷性的控制充電電流Iptat對所述第一電容仏進行充電，以產生與溫度相關的延時信號，并使得該延時信號的延時與時鐘頻率有關。
[0037]所述CTAT延時電路2包括CTAT電流產生電路20、第二電容C2、第二開關S2和第二電平檢測電路22。所述CTAT電流產生電路20用于產生與溫度成反比的充電電流Ictat,其輸出端連接至第二電容C2的正極端和第二開關S2、以及第二電平檢測電路22的輸入端Vin ;所述第二電容C2與第二開關S2并聯連接并接地；所述第二電平檢測電路22的輸出端Vout連接至所述異或門3的第二輸入端。
[0038]為保證充電電流Ictat開始為所述第二電容C2充電時第二電容C2的電荷量為零，以及所述計數器4的計數準確性，如圖4所示，Start信號輸入端口與所述第二開關S2連接，并控制所述第二開關S2在第二電容C2開始充電前閉合，與第二電容C2構成回路將所述第二電容C2上的電荷泄放到地，使第二電容C2正極端的電壓Vn為零。當所述充電電流Ictat開始為第二電容C2充電時，Start信號控制第二開關S2斷開，所述充電電流Ictat為第二電容C2充電并使得第二電容C2正極端的電壓Vn逐漸升高，當電壓Vn升高至大于第二電平檢測電路22的閾值電壓VN，TH時，第二電平檢測電路22發生翻轉，其輸出端Vtjut輸出的電壓\D由低電平信號翻轉為高電平信號。
[0039]所述CTAT電流產生電路的輸出端還連接有第二開關單元21，所述第二開關單元21的輸入端與CTAT電流產生電路20的輸出端連接，其控制端通過脈沖整形電路5連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口，輸出端連接至第二電容C2的正極端。所述第二開關單元21用于根據時鐘信號的時鐘周期間斷性的控制充電電流Ictat對所述第二電容(:2進行充電，以產生與溫度相關的延時信號，并使得該延時信號的延時與時鐘頻率有關。
[0040]由于不同的溫度傳感器之間采用的時鐘信號CLK的頻率各不相同，例如附圖12中所示的CLKl與CLK2。如前所述，時鐘信號CLK的頻率不相同，將導致不同溫度傳感器讀取的溫度不一致。本發明為解決該問題，加入了第一開關單元11與第二開關單元21，且在所述第一開關單元11與第二開關單元21的控制端與時鐘信號CLK輸入端之間連接有脈沖整形電路5，所述脈沖整形電路5輸入端連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口，脈沖整形電路5輸出端分別連接至所述第一開關單元11的控制端、第二開關單元21的控制端，以及計數器4的時鐘信號輸入端，用于將輸入的時鐘信號CLK整形為與輸入時鐘信號的周期保持一致，且周期內高電平的時間為恒定時間的方波信號CLK_INT，并利用該方波信號CLK_INT控制所述第一開關單元11和第二開關單元21的閉合與斷開，以及采用該方波信號作為計數器4的時鐘對與溫度相關的脈沖信號的脈沖寬度進行量化。如圖12中，針對兩個不同頻率的輸入時鐘信號CLKl與CLK2，經脈沖整形電路5后，其對應輸出方波信號CLK_INT1與CLK_INT2的周期分別跟CLKl與CLK2的周期相同，但CLK_INT1與CLK_INT2的高電平時間均恒定為TmsE，不隨輸入時鐘信號的周期改變。
[0041]圖5是本發明所述溫度傳感器電路實施例一結構圖，在該實施例中所述第一開關單元11為第三開關S3,所述第二開關單元21為第四開關S4。如圖所示，所述第三開關S3的輸入端連接至PTAT電流產生電路10的輸出端，其控制端連接至脈沖整形電路5的輸出端，輸出端連接至第一電容C1的正極端；所述第四開關S4的輸入端連接至CTAT電流產生電路20的輸出端，其控制端連接至脈沖整形電路5的輸出端，輸出端連接至第二電容C2的正極端。
[0042]所述第三開關S3的控制端和第四開關S4的控制端接受來自脈沖整形電路5輸出的方波信號CLK_INT的控制，當脈沖整形電路5輸出的方波信號CLK_INT處于高電平時，所述第三開關S3和第四開關S4閉合，電流Iptat和電流Ictat分別開始為第一電容C1和第二電容C2充電。當脈沖整形電路5輸出的方波信號CLK_INT處于低電平時，所述第三開關S3和第四開關S4斷開，第一電容C1和第二電容C2停止充電，當方波信號CLK_INT處于高電平時繼續充電，如此往復，直至第一電容仏兩端的電壓Vp和第二電容C2兩端的電壓Vn分別達到第一電平檢測電路12的閾值電壓VP，TH和第二電平檢測電路22的閾值電壓￥,3時，所述第一電平檢測電路12與所述第二電平檢測電路22的輸出信號翻轉，如此，則使得所述第一電容C1和第二電容C2充電形成的延時信號的延時變得與輸入時鐘周期正相關，延時信號經過邏輯單元產生與輸入時鐘信號周期正相關的脈沖寬度。
[0043]圖6是本發明所述溫度傳感器電路實施例二結構圖，在該實施例中所述第一開關單元11為第一復合開關13，所述第一復合開關13包括并聯連接的第一 N型MOS管匪I和第一 P型MOS管PMl，所述第一 N型MOS管匪I的漏極連接至第一 P型MOS管PMl的源極并連接至PTAT電流產生電路10的輸出端，所述第一 N型MOS管匪I的源極連接至第一 P型MOS管PMl的漏極并連接至第一電容C1的正極端，所述第一 N型MOS管匪I的柵極連接至脈沖整形電路5的輸出端，所述第一 P型MOS管PMl的柵極通過反相器連接至脈沖整形電路5的輸出端；所述第二開關單元12為第二復合開關23，所述第二復合開關23包括并聯連接的第二 N型MOS管匪2和第二 P型MOS管PM2，所述第二 N型MOS管匪2的漏極連接至第二 P型MOS管PM2的源極并連接至CTAT電流產生電路20的輸出端，所述第二 N型MOS管匪2的源極連接至第二 P型MOS管PM2的漏極并連接至第二電容C2的正極端，所述第二 N型MOS管匪2的柵極連接至脈沖整形電路5的輸出端，所述第二 P型MOS管PM2的柵極通過反相器連接至脈沖整形電路5的輸出端。
[0044]所述第一 N型MOS管匪I的柵極和第一 P型MOS管PMl的柵極接受來自脈沖整形電路5輸出的方波信號CLK_INT的控制，當脈沖整形電路5輸出的方波信號CLK_INT處于高電平時，所述第一 N型MOS管匪I與第一 P型MOS管PMl同時導通，電流Iptat開始為第一電容C1充電；同時，所述第二 N型MOS管匪2與第二 P型MOS管PM2同時導通，電流I.開始為第二電容C2充電。當脈沖整形電路5輸出的方波信號CLK_INT處于低電平時，所述第三開關S3和第四開關S4斷開，第一電容C1和第二電容C2停止充電，當方波信號CLK_INT處于高電平時繼續充電，如此往復，直至第一電容C1兩端的電壓Vp和第二電容C2兩端的電SVn分別達到第一電平檢測電路12的閾值電壓VP，TH和第二電平檢測電路22的閾值電壓VN,TH時，所述第一電平檢測電路12與所述第二電平檢測電路22的輸出信號翻轉，同樣使得第一電容C1和第二電容C2形成與輸入時鐘信號的周期正相關的延時信號。
[0045]本發明所述的第一開關單元11和第二開關單元21可以采用對稱結構，也可以采用不對稱結構，即所述第一開關單元和第二開關單元可以為以下四種組合中的任意一種:第一開關單元11為所述第三開關S3，第二開關單元21為所述第四開關S4 ;第一開關單元
11為所述第三開關S3，第二開關單元21為所述第二復合開關23 ;第一開關單元11為所述第一復合開關13，第二開關單元21為所述第四開關S4 ;第一開關單元11為所述第一復合開關13，第二開關單元21為所述第二復合開關23。
[0046]圖7是本發明所述脈沖整形電路5實施例一結構圖。所述脈沖整形電路包括電流源、第三P型MOS管PM3、第一放大器201、第一或非門N0R1、第二或非門N0R2、第一緩沖器BUF1、第二緩沖器BUF2、第三電容C3以及第三N型MOS管匪3，
[0047]所述電流源輸出端連接至第三P型MOS管PM3源極端，第三P型MOS管PM3漏極通過第三電容C3接地，所述第一放大器正輸入端連接至第三P型MOS管PM3漏極端，負輸入端接第一參考電壓端Vki，第一放大器輸出端連接至所述第一或非門NORl的第二輸入端，所述第一或非門NORl的第一輸入端接復位信號端RESET，第三輸入端連接至第二或非門N0R2的輸出端，第一或非門NORl的輸出端連接至第二或非門N0R2的第一輸入端及所述第一緩沖器BUFl的輸入端，第一緩沖器BUFl的輸出端作為脈沖整形電路的輸出端，所述第二或非門N0R2的第二輸入端連接至時鐘信號CLK作為脈沖整形電路的輸入端，第二或非門N0R2的輸出端通過第二緩沖器BUF2連接至第三P型MOS管PM3和第三N型MOS管匪3的柵極，所述第三N型MOS管匪3的漏極連接至第三P型MOS管PM3的漏極，第三N型MOS管匪3的源極接地。
[0048]圖8是本發明所述脈沖整形電路實施例二結構圖；該實施例與實施例一的區別在于所述第二或非門N0R2的第二輸入端連接至第二放大器202的輸出端，所述第二放大器202的正輸入端連接至第二參考電壓端VK2，負輸入端連接至時鐘信號CLK作為脈沖整形電路的輸入端。
[0049]所述脈沖整形電路5用于將輸入的時鐘信號CLK整形為與輸入時鐘信號的周期保持一致，且周期內高電平的時間為恒定時間的方波信號CLK_INT，為保證各種不同頻率的時鐘信號經過脈沖整形電路5整形后，周期內高電平的時間長度恒定，需要確保所述脈沖整形電路5中的第三電容C3具有嚴格恒定的電容容值。為消除由于工藝偏差等因素對電容容值造成不一致的缺陷，本發明所述脈沖整形電路5所采用的第三電容C3可采用激光修調等校準技術校準，或者采用精度較高的外置電容。
[0050] 圖9是本發明所述PTAT電流產生電路10的電路圖。如圖所示，所述PTAT電流產生電路10包括第四P型MOS管PM4、第五P型MOS管PM5、第六P型MOS管PM6、第四N型MOS管NM4、第五N型MOS管NM5和第一電阻Rl。
[0051 ] 所述第四P型MOS管PM4、第五P型MOS管PM5和第六P型MOS管PM6的源極均連接至電源VDD，柵極分別相連構成電流鏡。所述第四P型MOS管PM4的漏極與第四N型MOS管NM4的漏極連接，所述第四N型MOS管NM4的漏極與其柵極連接，其源極接地；所述第五P型MOS管PM5的漏極與其柵極連接，同時還與第五N型MOS管匪5的漏極連接，所述第五N型MOS管匪5的柵極與第四N型MOS管NM4的柵極連接，第五N型MOS管匪5的源極與第一電阻Rl的一端連接，所述第一電阻Rl的另一端接地；第六P型MOS管PM6的源極連接至電源VDD，其漏極作為PTAT電流產生電路10的輸出端輸出電流IPTAT。
[0052]圖10是本發明所述CTAT電流產生電路20電路圖。如圖10所示，所述CTAT電流產生電路20包括第七P型MOS管PM7、第八P型MOS管PM8、第三放大器203、第二電阻R2和二極管Dl。
[0053]所述第三放大器203的正電源端、第七P型MOS管PM7的源極和第八P型MOS管PM8的源極共同連接至電源Vdd ;所述第三放大器203的負輸入端與二極管Dl的正極連接，所述二極管Dl的負極接地；所述第三放大器203的正輸入端與第七P型MOS管PM7的漏極連接；所述第三放大器203的負電源端直接接地；所述第七P型MOS管PM7的漏極與第二電阻R2的一端連接，所述第二電阻R2的另一端接地；所述第三放大器203的輸出端連接至第七P型MOS管PM7的柵極，所述第八P型MOS管PM8的柵極連接至第七P型MOS管PM7的柵極，與第七P型MOS管PM7構成電流鏡，所述第八P型MOS管PM8的漏極作為CTAT電流產生電路20的輸出端輸出電流Ictat。
[0054]本發明所述的PTAT延時電路I中的第一電平檢測電路12和CTAT延時電路2中的第二電平檢測電路22的結構相同，下面結合附圖11詳細描述所述電平檢測電路的結構。
[0055]如圖11所示，所述電平檢測電路12包括一個比較器121。
[0056]所述比較器121的正輸入端作為電平檢測電路12的輸入端Vin，其負輸入端連接至參考電壓端，其輸出端作為電平檢測電路12的輸出端Vwt。
[0057]圖12是本發明所述溫度傳感器電路100采用兩個不同頻率的時鐘信號工作時序圖的比較圖，為顯示清楚，該圖例中只顯示出時鐘信號的相關部分。如圖所示，第一時鐘信號CLKl經過脈沖整形電路輸出第一方波信號CLK_INT1，第一方波信號的每個周期內高電平時間長度恒定為，且頻率與第一時鐘信號CLKl相同。用上述第一方波信號CLK_INT1控制第一電容和第二電容的充電時間，CLK_INT1為高電平時對第一電容和第二電容充電，低電平時停止對其充電。由于第一方波信號CLK_INT1的高電平時間恒定為Tpulse,因此，假定第一電容的有效充電時間為η個Tpulse,第二電容的有效充電時間為m個Tpulse (m、n為自然數)，則第一電容充電形成的延時Tp,D二 η * Tpulse *即Tp D=n*TCLK1,同理，第二電容
充電形成的延時&1>= m * Tpulse *即TN，D=mTM1，則異或運算后得到脈沖信號PW，
PW的脈沖寬度Tpwi= (m-n)*TM1。計數器采用第一方波信號CLK_INT1對脈沖信號PW的脈沖
寬度Tpwi進行量化，量化結果為— = m _ η個CLKi周期，因此，附圖12中計
數結果k應等于m-n。
[0058]同樣原理，當時鐘信號為CLK2時，第二時鐘信號CLK2經過脈沖整形電路輸出第二方波信號CLK_INT2，第二方波信號的每個周期內高電平時間長度亦恒定為，且頻率與第二時鐘信號CLK2相同。用上述第二方波信號CLK_INT2控制第一電容和第二電容的充電時間，同樣CLK_INT2為高電平時對第一電容和第二電容充電，低電平時停止對其充電。由于第二方波信號CLK_INT2的高電平時間也恒定為Tpulse,因此第一電容有效充電時間同樣為η個Tpuise，第二電容有效充電時間同樣為m個Tpulse,與米用第一時鐘信號的情況相同，同理可推導出脈沖信號PW的脈沖寬度Tpw2= (m-n)*TM2。計數器采用第二時鐘信號CLK2對Tpw2進
行量化，量化結果為— = m — η.個CLK2周期，因此，附圖12中計數結果S同
樣等于m-n .
[0059]綜上分析，雖然CLKl與CLK2頻率不同，但本發明所述溫度傳感器針對兩個不同頻率的時鐘信號的輸出結果均等于m-n。可以看出，本發明所述的溫度傳感器100的溫度輸出值Dtjut可以不受時鐘信號頻率的影響，解決了現有時間域集成溫度傳感器的時間數字轉換器對溫度信號處理時，溫度值隨時鐘信號周期變化而讀數不一致的問題，一定程度提高了時間域集成溫度傳感器讀數的精度。
[0060]圖13是本發明所述溫度傳感器電路100實施例的工作時序圖。如圖所示，參考時鐘周期為Tm，經脈沖整形電路5整形后的方波信號的周期與輸入時鐘信號的周期相同，周期內的高電平時間均為TPmsE，所述第一電平檢測電路12的輸出信號VP，D的上升沿延時為Tp；D,即為η個時鐘周期Τακ，所述第二電平檢測電路22的輸出信號VN，D的上升沿延時為TN，D，即為m個時鐘周期Τακ，所述異或門輸出的脈沖信號的脈沖寬度為TPW。
[0061]以所述第二電平檢測電路22的輸出電壓VN，D為例，其上升沿延時TN，D計算過程如下:
[0062]第二電容C2兩端的電壓由O上升到VN，TH，所述第二電容C2的充電電荷量為Q，可以由以下表達式得到:
[0063]Q=C2*Vn，th (I)
[0064]其中，\TH為所述第二電平檢測電路22的閾值電壓，即其輸入電壓高于\TH時,輸出為高；若其輸入電壓低于\TH時,輸出為低。
[0065]另一方面，在所述第二電容C2兩端電壓由O上升至VN，TH期間，充電電流Ictat提供的電荷總量應等于第二電容C2兩端的充電電荷量Q，因此Q還可以用以下表達式得到:
[0066]Q=m*Tpulse*ICTAT (2)
[0067]TN，D=m*TCLK (3)[0068]由上述式(I)、(2)和(3)可以得到:
[0069]
【權利要求】
1.時間域集成溫度傳感器，包括PTAT延時電路、CTAT延時電路、異或門以及計數器，所述異或門的兩個輸入端分別連接至PTAT延時電路的輸出端和CTAT延時電路的輸出端，所述異或門的輸出端與計數器的使能端連接，所述計數器的時鐘信號輸入端連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口， 所述PTAT延時電路包括PTAT電流產生電路、第一電容、第一開關和第一電平檢測電路，所述PTAT電流產生電路輸出端連接至第一電容的正極端和第一開關，以及所述第一電平檢測電路的輸入端，第一電容與第一開關并聯連接并接地，所述第一電平檢測電路的輸出端連接至所述異或門的第一輸入端， 所述CTAT延時電路包括CTAT電流產生電路、第二電容、第二開關和第二電平檢測電路，所述CTAT電流產生電路輸出端連接至第二電容的正極端和第二開關，以及所述第二電平檢測電路的輸入端，第二電容與第二開關并聯連接并接地，所述第二電平檢測電路的輸出端連接至所述異或門的第二輸入端，其特征在于， 所述PTAT電流產生電路的輸出端連接有第一開關單元，所述第一開關單元輸出端連接至第一電容的正極端，第一開關單元的控制端通過脈沖整形電路連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口； 所述CTAT電流產生電路的輸出端連接有第二開關單元，所述第二開關單元輸出端連接至第二電容的正極端，第二開關單元的控制端通過脈沖整形電路連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口； 所述脈沖整形電路輸入端連接至所述溫度傳感器的時鐘輸入端口，脈沖整形電路輸出端分別連接至所述第一開關單元的控制端、第二開關單元的控制端，以及計數器的時鐘信號輸入端，用于將輸入的時鐘信號整形為與輸入時鐘信號的周期保持一致，且周期內高電平的時間為恒定時間的方波信號，并利用該方波信號控制所述第一開關單元和第二開關單元的閉合與斷開，以及采用該方波信號作為計數器的時鐘在脈沖信號高電平期間進行計數，計數結果即為脈沖信號脈沖寬度的量化結果。
2.根據權利要求1所述的時間域集成溫度傳感器，其特征在于，所述第一開關單元為第三開關，所述第三開關的輸入端連接至PTAT電流產生電路的輸出端，控制端連接至脈沖整形電路輸出端，輸出端連接至第一電容的正極端。
3.根據權利要求1所述的時間域集成溫度傳感器，其特征在于，所述第一開關單元為第一復合開關，所述第一復合開關包括并聯連接的第一 N型MOS管和第一 P型MOS管，所述第一 N型MOS管漏極連接至所述第一 P型MOS管源極并連接至PTAT電流產生電路的輸出端，所述第一 N型MOS管源極連接至所述第一 P型MOS管漏極并連接至第一電容的正極端，所述第一 N型MOS管柵極連接至脈沖整形電路輸出端，所述第一 P型MOS管柵極通過反相器連接至脈沖整形電路輸出端。
4.根據權利要求1所述的時間域集成溫度傳感器，其特征在于，所述第二開關單元為第四開關，所述第四開 關的輸入端連接至CTAT電流產生電路的輸出端，控制端連接至脈沖整形電路輸出端，輸出端連接至第二電容的正極端。
5.根據權利要求1所述的時間域集成溫度傳感器，其特征在于，所述第二開關單元為第二復合開關，所述第二復合開關包括并聯連接的第二 N型MOS管和第二 P型MOS管，所述第二 N型MOS管漏極連接至所述第二 P型MOS管源極并連接至CTAT電流產生電路的輸出端，所述第二 N型MOS管源極連接至所述第二 P型MOS管漏極并連接至第二電容的正極端，所述第二 N型MOS管柵極連接至脈沖整形電路輸出端，所述第二 P型MOS管柵極通過反相器連接至脈沖整形電路輸出端。
6.根據以上任一權利要求所述的時間域集成溫度傳感器，其特征在于，所述脈沖整形電路包括電流源、第三P型MOS管、第一放大器、第一或非門、第二或非門、第一緩沖器、第二緩沖器、第三電容以及第三N型MOS管， 所述電流源輸出端連接至第三P型MOS管源極端，第三P型MOS管漏極通過第三電容接地，所述第一放大器正輸入端連接至第三P型MOS管漏極端，負輸入端接第一參考電壓端，第一放大器輸出端連接至所述第一或非門的第二輸入端，所述第一或非門的第一輸入端接復位信號端，第三輸入端連接至第二或非門的輸出端，第一或非門的輸出端連接至第二或非門的第一輸入端及所述第一緩沖器的輸入端，第一緩沖器的輸出端作為脈沖整形電路的輸出端，所述第二或非門的第二輸入端連接至時鐘信號端作為脈沖整形電路的輸入端，第二或非門的輸出端通過第二緩沖器連接至第三P型MOS管和第三N型MOS管的柵極，所述第三N型MOS管的漏極連接至第三P型MOS管的漏極，第三N型MOS管的源極接地。
【文檔編號】G01K1/00GK103837243SQ201410118216
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月27日 優先權日:2014年3月27日
【發明者】馬彪, 吳邊, 韓富強 申請人:卓捷創芯科技（深圳）有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
