低功耗改进型带隙基准温度读出电路的制作方法

1.本发明涉及传感器设计与应用技术领域，尤其涉及一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路。


背景技术：

2.现代移动设备日益发达，对各类传感器功耗的要求也越来越严格，温度作为移动设备上最重要的物理参数，低功耗的温度传感器也越来越受到青睐。如电路板的高温预警检测，电池过温保护，航天器高精度温度探测都需要相对低功耗高精度的温度传感器配合完成，现阶段大多温度传感器只产生与温度相关的模拟信号，因此如何在提高精度的基础上进一步降低整体功耗并提供准确稳定的与温度相关的数字信号输出是未来发展方向。
3.传统温度传感器只包含感温模块，输出为模拟信号，这使数字移动设备在读取和处理这些数据信号方面存在困难，并且传统的温度传感器受工艺和检测电路之间匹配误差的影响很难保证温度信号的准确性，因此如何实现温度信号的数字化转换以及降低外部干扰的同时降低功耗是亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明主要解决现有技术的温度传感器功耗大和效率低的技术问题，提出一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路，以达到提高温度读出的效率和降低功耗的目的。
5.本发明提出一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路，其舍弃了传统的温度感应电路，利用本发明提供的改进型带隙基准电路来感测温度信号的变化从而产生与温度相关的电压信号
△
vbe以及与温度无关的基准电压vref，其中与温度相关的电压信号
△
vbe进入模数转换电路进行最终的数字量化，与温度无关的基准电压vref则为模数转换电路提供其所需的偏置电压。因为该结构省略了传统的温度感应模块，而将温度感应的功能融入传统的带隙基准电路中，从而构成了本发明所提供的改进型带隙基准电路。该结构可以更大程度的提高温度传感器精度的同时降低整体的功耗。此外还能够解决温度读出电路结构过于复杂的问题,大大增加电路的实用性。
6.本技术提供了一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路，包括彼此电连接的模数转换电路和带隙基准电路，所述带隙基准电路包括目标电压产生电路和运算放大器a1。
7.所述目标电压产生电路包括：第一三极管npn1、第二三极管npn2、第三三极管npn3、第四三极管npn4、第一电阻器r1、第二电阻器r2、第三电阻器r3和第四电阻器r4。
8.所述运算放大器a1的负极输入端连接有第一节点a，正极输入端连接有第二节点b，输出端连接有第四节点d；第三电阻器r3和第四电阻器r4的上端都接有电源电压vdd，下端分别连接到所述第一节点a和第二节点b。
9.所述第一三极管npn1和第二三极管npn2的集电极连接至所述第一节点a，所述第三三极管npn3和第四三极管npn4的集电极连接至所述第二节点b；所述第二三极管npn2和第三三极管npn3的基极连接至所述第四节点d，所述第二三极管npn2的发射极连接至所述
第四三极管npn4的基极，第三三极管npn3的发射极连接至所述第一三极管npn1的基极。
10.所述第一三极管npn1的发射极连接有第三节点c，所述第一电阻器r1的一端连接到所述第四三极管npn4的发射极，另一端连接到所述第三节点c，所述第二电阻器r2的一端连接到所述第三节点c，另一端连接有大地gnd。
11.进一步的，所述模数转换电路分辨率不低于14bits。
12.进一步的，所述运算放大器为差分输入单端输出运算放大器。
13.进一步的，所述第一三极管npn1、第二三极管npn2、第三三极管npn3和第四三极管npn4为npn型三极管。
14.进一步的，所述第二三极管npn2的有效发射区面积是第三三极管npn3的m倍，第四三极管npn4的有效发射区面积是第一三极管npn1的n倍，其中，m、n均大于1。
15.进一步的，所述m＝8，n＝8。
16.本发明中的温度传感器可以在提高温度传感器精度的基础上进一步降低功耗，降低整体结构的复杂性。与现有技术相比，本发明还具有以下有益效果：
17.1、抛弃了单独的温度检测电路模块，将温度检测功能和提供基准电压的功能融为一体，构成了改进型带隙基准电路。简化了整体电路易于集成，同时降低了整体功耗。
18.2、利用读出电路将温度的模拟信号转化为易于数字移动设备处理的数字信号，从而扩展电路的应用场景。
附图说明
19.图1是现有技术的温度读出电路系统的结构示意图。
20.图2是本发明提供的低功耗改进型带隙基准温度读出电路的结构图。
21.图3是本发明提供的改进型带隙基准电路结构图。
22.图4是本发明提供的改进型带隙基准电路的电压传输图。
具体实施方式
23.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
24.本技术提供了一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路，包括彼此电连接的模数转换电路和带隙基准电路，所述带隙基准电路包括目标电压产生电路和运算放大器a1。
25.所述目标电压产生电路包括：第一三极管npn1、第二三极管npn2、第三三极管npn3、第四三极管npn4、第一电阻器r1、第二电阻器r2、第三电阻器r3和第四电阻器r4。
26.所述运算放大器a1的负极输入端连接有第一节点a，正极输入端连接有第二节点b，输出端连接有第四节点d；第三电阻器r3和第四电阻器r4的上端都接有电源电压vdd，下端分别连接到所述第一节点a和第二节点b。
27.所述第一三极管npn1和第二三极管npn2的集电极连接至所述第一节点a，所述第三三极管npn3和第四三极管npn4的集电极连接至所述第二节点b；所述第二三极管npn2和第三三极管npn3的基极连接至所述第四节点d，所述第二三极管npn2的发射极连接至所述
第四三极管npn4的基极，第三三极管npn3的发射极连接至所述第一三极管npn1的基极。
28.所述第一三极管npn1的发射极连接有第三节点c，所述第一电阻器r1的一端连接到所述第四三极管npn4的发射极，另一端连接到所述第三节点c，所述第二电阻器r2的一端连接到所述第三节点c，另一端连接有大地gnd。
29.进一步的，所述模数转换电路分辨率不低于14bits。
30.进一步的，所述运算放大器为差分输入单端输出运算放大器。
31.进一步的，所述第一三极管npn1、第二三极管npn2、第三三极管npn3、第四三极管npn4为npn型三极管。
32.进一步的，所述第二三极管npn2的有效发射区面积是第三三极管npn3的m倍，第四三极管npn4的有效发射区面积是第一三极管npn1的n倍，其中，m、n均大于1。在实际设计中通常选用的m为8/1，n为16/2。这样就可以很好的使正负温度系数相抵消，并且也不至于r1过小，r2过大，避免了后期版图设计的困难。
33.本发明提供一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路，本发明在传统温度传感器的基础上，引入模数转换电路和改进型带隙基准电路，并利用npn晶体管对温度敏感的特性，将传统带隙基准电路中融入温度检测功能，使其既检测温度信号又为模数转换电路提供与温度无关的基准电压vref，抛弃了单独的温度检测电路模块，将温度检测功能和提供基准电压的功能融为一体。从而使整体功耗降低，在电路简化的同时保证温度检测精度的提高。
34.为达到上述及其他目的，本发明提出一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路，至少包含：模数转换电路，其设计分辨率不低于14bits，以保证整体温度传感器的测量精度；改进型带隙基准电路，以保证其在产生基准电压的情况下，可以提供与温度相关的电压；前述改进型带隙基准电路包括：目标电压产生电路和差分输入单端输出运算放大器。
35.其中温度感应电路用4个npn晶体管实现，这些npn晶体管发射极和基极电压差与温度线性相关。因为运放具有虚断特性，即差分输入单端输出运算放大器可以实现两个输入端电压相等，这样就为改进型带隙基准电路提供了两个相等的电平，从而为两条支路产生相等的电流。为抵消正负温度系数产生一个与温度无关的基准电压vref和一个与温度相关的电压信号
△
vbe提供了可能。
36.如图1所示，现有技术的温度读出电路系统包括传统温度检测电路、模数转换电路和时钟产生电路，其中，模数转换电路包括比较器、放大器和带隙基准电路。传统温度感应模块向模数转换电路发送与温度相关的电压信号，模数转换电路发出与温度相关的数字信号。图2是本发明提供的一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路系统结构图，其舍弃了传统的温度检测电路，并将温度检测的功能融入到带隙基准电路中去，构成了本发明所提供的改进型带隙基准电路(如图3所示)，该电路会产生一个与温度无关的基准电压vref并提供给模数转换电路作为模数转换电路的偏置电压使用，此外改进型带隙基准电路还会产生一个与温度相关的电压信号
△
vbe，并将与温度相关的电压信号
△
vbe提供给模数转换电路进行处理，最终模数转换电路会产生一个与温度相关的数字信号，时钟产生电路用于为模数转换电路提供时钟信号。
37.如图3所示，为本发明提供的改进型带隙基准电路结构示意图，改进型带隙基准电路包括目标电压产生电路和差分输入单端输出运算放大器a1。目标电压产生电路会产生一
个与温度无关的基准电压vref和一个与温度相关的电压信号
△
vbe，并且与温度相关的电压信号
△
vbe是正温度系数电压。目标电压产生电路包括第一三极管npn1、第二三极管npn2、第三三极管npn3、第四三极管npn4、第一电阻器r1、第二电阻器r2、第三电阻器r3和第四电阻器r4。
38.第二三极管npn2的有效发射区面积是第三三极管npn3的m倍，第四三极管npn4的有效发射区面积是第一三极管npn1的n倍。优选地，m和n可以为8。第一三极管npn1,第二三极管npn2的集电极连接至第三电阻器r3的下端即节点a，第三三极管npn3,第四三极管npn4的集电极连接至第四电阻器r4的下端即节点b。第三电阻器r3和第四电阻器r4的上端都接电源电压vdd。第二三极管npn2,第三三极管npn3的基极相连于节点d。第三三极管npn3的发射极连接至第一三极管npn1的基极。第二三极管npn2的发射极连接至第四三极管npn4的基极，第四三极管npn4的发射极与第一电阻器r1的上端相连，第一电阻器r1的下端和第一三极管npn1的发射极连接至第二电阻器r2的上端即结点c。差分输入单端输出运算放大器a1的正负极输入端分别连接至节点b和节点a。差分输入单端输出运算放大器a1的输出端连接至节点d。该电路会在节点d产生一个与温度无关的基准电压vref，在节点c产生一个与温度相关的电压信号
△
vbe。
39.电路的工作原理：由于差分输入单端输出运算放大器a1的两个输入端具有端虚断特性，即a点和b点电位相等，所以在电阻器r3和电阻器r4的电阻值相等的情况下，电流i1＝i2。由三极管的基本原理可知发射极电流等于基极电流的β倍(β为共射直流电流放大系数)。设第一三极管npn1和第四三极管npn4的发射极电流分别为i3和i4。则：
[0040][0041][0042][0043][0044]
其中β为共射直流电流放大系数，根据kcl定律(基尔霍夫电流定律)i1＝i5 i6，i2＝i7 i8。
[0045][0046][0047]
根据前文所述电流i1＝i2。因此可得：
[0048][0049]
因此可得i3＝i4。(差分输入单端输出运算放大器a1的输入和输出端都有其直流共模电平，因此可保证npn型三极管npn1、npn2、npn3和npn4均处在放大区，因此i3＝i4≠
0。)npn三极管基极发射极电压vbe具有负温度系数。因此可得到电阻器r1两端的电压为：
[0050][0051]
vbe1，vbe2，vbe3和vbe4分别为npn型三极管npn1，npn2，npn3，npn4基极发射极电压。vt为阈值电压，且vt＝kt/q，具有正温度系数。
[0052]
其中：t＝绝对温度，k＝玻尔兹曼(boltzmann)常数，q＝电子上的电荷。因此可得节点d的电压vref为：
[0053][0054]
vt具有正温度系数，vbe1和vbe3具有负温度系数，因此通过调节电阻器r1和电阻器r2的电阻值可以实现电压vref等于半导体材料(硅)的带隙电压，并且电压vref是具有非常低的温度敏感性的偏置电压。节点c的电压
△
vbe为:
[0055][0056]
vt具有正温度系数，因此节点c的电压
△
vbe具有正温度系数，电压
△
vbe可以作为与温度相关的电压信号。
[0057]
本发明提供了一种低功耗改进型带隙基准温度读出电路系统结构，该系统结构主要包括改进型带隙基准电路、模数转换电路和时钟产生电路，各模块的工作原理如下：
[0058]
改进型带隙基准电路工作原理具体为：当电路系统中环境的温度发生变化，改进型带隙基准电路会产生两个电压值，一个是与温度相关的电压信号
△
vbe，另一个是与温度无关的基准电压vref，并应用于模数转换电路的温度信号输入端和偏置电压输入端。
[0059]
时钟产生电路工作原理具体为：在改进型带隙基准电路工作时，时钟产生电路会产生应用于模数转换电路所需的时钟信号。
[0060]
模数转换电路工作原理如图4所示，具体为：模数转换电路接受来自改进型带隙基准电路的与温度相关的电压信号
△
vbe作为输入电压信号。同时进行计算处理生成与温度相关的数字信号。
[0061]
需要说明的是，这里的bgr(带隙基准电路)模块用了4个npn型三极管，原因是这样可以把负温度系数从vbe提高到2vbe，同时四个npn型三极管的有效发射区面积也是n倍和m倍的关系，这种四npn结构也可以增加正温度系数到高的正负温度系数，可以提高输出vref的稳定性。所以两个npn也是bgr模块的一部分，并不是传统意义上的温度感应晶体管。目前现有技术的专利和论文并没有用bgr模块检测温度信号的，因为bgr模块里的正负温度信号需要互相抵消才能产生vref，因为抵消了，所以不同于现有技术专利和论文的温度检测。因为读出电路中的adc是需要基准电压vref的。vref是来自bgr的，所以bgr不可缺少，本技术是在带隙基准的基础上用带隙基准电路产生温度信号，这样可以在不引入其他感温电路的基础上降低功耗。
[0062]
带隙基准电路(bgr)为模数转换电路(adc)提供偏置电压vref和温度信号
△
vbe。
通常vref可以通过ldo(低压差线性稳压器)电路才可以提供给adc，不过这是为了更好的性能才会通过ldo模块，这里为了简化没加ldo模块，不影响本技术的新颖性和创造性。
[0063]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。