一种测温范围可调的温度检测电路及无源传感标签

1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种测温范围可调的温度检测电路及无源传感标签。


背景技术：

2.随着通讯技术的发展，wsn(wireless sensor networks，无线传感网络)技术越来越成熟，且应用越来越广泛。无线传感网络是通过无线通讯技术，将数量庞大的传感节点连接起来。通过wsn技术可实现远程对环境物体的温度测量，无需人为干涉，方便快捷。
3.近些年，由于新冠疫情肆虐全球，日常体温检测以及对隔离人群患病人员的体温监控成为防控疫情的重要手段。但在传统测温方式中，需要人工对个体进行逐一接触式测温，容易造成人群聚集，增加了交叉感染的风险，而红外测温又存在易受环境温度影响的问题。因此迫切需要一种高精度、高分辨率、非接触式、批量测量体温的无线温度传感器。
4.传统的温度检测电路受工艺影响因素较大，电阻电容均受工艺影响，会导致最终的芯片与芯片之间存在较大偏差，因而无法应用于无源传感芯片中。
5.公告号为cn102175338b的专利文献提出了一种采用结构完全相同的压控振荡器来消除工艺偏差。但此电路的分辨率远低于要求的0.1℃，且对于不同范围、不同测量分辨率的环境，存在电路不易调节的问题。目前，可以通过以下几种方法提升电路的分辨率：一是提高电路电容比率系数；二是提高量化的分频比；三是同比提高时钟频率与分频比。
6.然而，过大的电容比率可能会存在电路版图中两电容难以匹配的问题，引入较大的工艺偏差，进而带来初始误差，影响测量精度。而提高量化的分频比会使数字噪声变大，导致量化输出值低位波动，引起误差增大，同时亦使量化速度变慢。若考虑量化速度稳定，采用同比提高时钟频率与分频比的方法，高分频比导致的频率抖动及量化误差增大的问题依然存在。同时，高速时钟会引起量化功耗上升。此外，上述措施均采用了从量化后端处理的方法，这些方法会使得温度量化的信噪比减小，因此均无法改变片内温敏单元温度系数较小对测量精度及分辨率的不利影响。
7.此外，对于精度较高的体温传感器，现有方案多数采用了模数转换器(analog-to-digital converter，adc)来实现，存在着结构复杂、电路功耗高等问题，且没有解决温敏单元温度系数较小的问题，不利于应用在无源传感标签中；并且adc结构温度传感器需要提高量化位数来提高测量精度，这样受到噪声的影响也在增大。
8.综上，现有的温度检测电路温度系数较小，且电路复杂不易于集成，功耗较高，分辨率和测量精度也有待进一步提高，无法满足各种温度区间的高精度测量要求。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种测温范围可调的温度检测电路及无源传感标签。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
10.第一方面，本发明提供了一种测温范围可调的温度检测电路，其特征在于，包括：
11.基准电路，用于提供基准电流和基准电压；
[0012]vbe
电压产生电路，连接所述基准电路，用于产生与温度有关的参考电压；
[0013]
放大电路，连接所述基准电路和所述电压产生电路，用于对所述基准电压和所述参考电压进行比较放大，并产生放大电压信号；
[0014]
第一压控振荡器，连接所述放大电路，用于将所述放大电压信号转化为周期信号；
[0015]
分频器，连接所述第一压控振荡器，用于对所述周期信号进行分频处理，得到使能信号；
[0016]
第二压控振荡器，连接所述基准电路，用于产生时钟信号；
[0017]
计数器，连接所述分频器和所述第二压控振荡器，用于根据所述使能信号对所述时钟信号进行计数，并输出温度数值。
[0018]
在本发明的一个实施例中，所述放大电路包括第一运放、第一电阻、第二运放以及第二电阻，其中，
[0019]
所述第一运放的正输入端连接所述电压产生电路的输出端，所述第一运放的负输入端与输出端连接，并通过所述第一电阻连接所述第二运放的负输入端；
[0020]
所述第二运放的正输入端连接所述基准电路的输出端，所述第二运放的输出端通过所述第二电阻连接至其负输入端；
[0021]
所述第二运放的输出端还作为整个放大电路的输出端输出放大电压信号。
[0022]
在本发明的一个实施例中，所述第一压控振荡器和所述第二压控振荡器的结构相同。
[0023]
第二方面，本发明还提供了一种无源传感标签，所述无源传感标签上集成有温度检测电路和基带，所述温度检测电路为上述实施例所述的测温范围可调的温度检测电路；
[0024]
当接收到阅读器发送的指令后，所述温度检测电路进行温度检测；
[0025]
所述基带对所述温度检测电路的测量结果进行校准，以提高检测精度。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
1、本发明通过在现有温度测量电路中增加一个放大电路，可以放大温度系数，从而提高分辨精度和测量精度；同时，本发明还可以通过改变基准电路的基准电压灵活改变测量范围，具有功耗低、集成度高以及对工艺偏差不敏感的优点，能够满足各种温度区间的高精度测量要求；
[0028]
2、本发明可通过调节放大电路中的电阻r2与电阻r1之比，调节放大电路的放大倍数，从而可以灵活改变温度传感器的测量分辨率，用于满足各种环境下对测量的要求；
[0029]
3、本发明由于增加了放大器电路，可在不增加分频比的情况下提高分辨精度，或减小一定的分频比，达到同等分辨精度，此方法可大幅缩减温度采样时间，可应用于一些对速度有要求的特定环境；相比提高分频比或振荡器频率提升分辨率的方法，本发明受压控振荡器的周期抖动或分频器、计数器的数字噪声带来的量化输出的影响相对较小，减小量化输出的波动；
[0030]
4、本发明提供测温范围可调的温度检测电路为微功耗设计，消耗的电流在芯片产生的温升可以忽略，减小了自身电路对温度传感电路测试的影响；
[0031]
5、本发明由于线性度较好，因此可采用单点校准法，使电路的测量精度小于0.1℃，达到测温所需精度。
[0032]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0033]
图1是本发明实施例提供的一种测温范围可调的温度检测电路的结构示意图；
[0034]
图2是本发明实施例提供的放大电路的详细电路图；
[0035]
图3是本发明实施例提供的无源传感标签的结构示意图；
[0036]
图4为仿真实验中计数器输出随温度变化的曲线图；
[0037]
图5为仿真实验中计数器输出曲线斜率随温度变化的曲线图；
[0038]
图6为仿真实验中电路整体功耗随温度变化的仿真曲线图；
[0039]
图7为仿真实验中采用单点校准后拟合曲线与实际测温曲线的对比图；
[0040]
图8为仿真实验中采用单点校准后拟合曲线与实际测温曲线输出值量化误差曲线；
[0041]
图9为仿真实验中采用单点校准后拟合曲线与实际测温曲线温度量化误差曲线。
具体实施方式
[0042]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0043]
实施例一
[0044]
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种测温范围可调的温度检测电路的结构示意图，其包括：
[0045]
基准电路1，用于提供基准电流和基准电压；
[0046]vbe
电压产生电路2，连接所述基准电路1，用于产生与温度有关的参考电压；
[0047]
放大电路3，连接所述基准电路1和所述电压产生电路2，用于对所述基准电压和所述参考电压进行比较放大，并产生放大电压信号；
[0048]
第一压控振荡器4，连接所述放大电路3，用于将所述放大电压信号转化为周期信号；
[0049]
分频器5，连接所述第一压控振荡器4，用于对所述周期信号进行分频处理，得到使能信号；
[0050]
第二压控振荡器6，连接所述基准电路1，用于产生时钟信号；
[0051]
计数器7，连接所述分频器5和所述第二压控振荡器6，用于根据所述使能信号对所述时钟信号进行计数，并输出温度数值。
[0052]
具体而言，在本实施例中，基准电路1采用现有的常规电路结构，其主要用于提供电路的基准电流i
ref
，同时为放大电路3以及第二压控振荡器6提供基准电压v
ref
。电压产生电路2主要是通过三极管产生负温度系数的参考电压v
be
，因此也称v
be
产生电路，其也采用现有的电路结构。
[0053]
进一步的，放大电路3主要用于将参考电压v
be
随温度的微小变化放大，以产生放大电压信号v
amp
。
[0054]
可选的，作为本发明的一种实现方式，放大电路可采用图2所示的电路结构，其具体包括第一运放a1、第一电阻r1、第二运放a2以及第二电阻r2，其中，
[0055]
所述第一运放a1的正输入端连接所述电压产生电路2的输出端，所述第一运放a1的负输入端与输出端连接，并通过所述第一电阻r1连接所述第二运放a2的负输入端；
[0056]
所述第二运放a2的正输入端连接所述基准电路1的输出端，所述第二运放a2的输出端通过所述第二电阻r2连接至其负输入端；
[0057]
所述第二运放a2的输出端还作为整个放大电路3的输出端输出放大电压信号。
[0058]
具体的，第一运放a1用于构成单位增益缓冲器，其增益为1，其正端接温度参考电压v
be
，负端与输出端相连。第二运放a2的正端与基准电压v
ref
相连，其与第一电阻r1和第二电阻r2构成反相放大器。假设其增益为a，则有也即放大电路的放大倍数为a，其中，r1和r2分别为第一电阻r1和第二电阻r2的阻值。
[0059]
放大电路将参考电压v
be
信号与基准电压v
ref
信号比较，将v
be
信号的变化量放大a倍，并输出放大电压信号v
amp
作为第一压控振荡器4的控制电压。
[0060]
可以理解的是，本实施例还可以采用其他的放大电路结构实现电路功能，本实施例对此不做限定。
[0061]
进一步的，第一压控振荡器4将放大电压信号v
amp
转化为周期信号t_tem。
[0062]
分频器5将周期信号t_tem进行2n倍分频产生使能信号t_tem，作为计数器的控制信号，其中，n表示分频位数。同时，第二压控振荡器6将基准电路产生的基准电压v
ref
转化为时钟信号t_con，并作为计数器的计数信号。
[0063]
计数器7利用使能信号t_tem与时钟信号t_con进行计数，并输出与温度有关的数值n作为整体电路的输出。
[0064]
本实施例提供的测温范围可调的温度检测电路的工作原理如下：上电后，基准电路1为电压产生电路2提供基准电流i
ref
，从而产生一个负温度系数的v
be
电压，同时为第二压控振荡器6与放大电路3提供基准电压v
ref
，从而第二压控振荡器6产生一个时钟信号t_con给计数器；放大电路3将v
be
信号与v
ref
信号比较，将v
be
信号的变化量放大a倍，输出电压为v
amp
，作为第一压控振荡器4的控制电压，第一压控振荡器4的输出经过分频器5分频后产生一个使能信号t_tem给计数器7；在t_tem变为高点平时，计数器7开始对t_con计数，当t_tem变为低电平时，计数器7停止计数，输出计数值n，则此时的n即为该温度的数值。
[0065]
在本实施例中，第一压控振荡器4和第二压控振荡器6的结构相同，其主要包括比较器、级联反相器和充放电电路等构成，其详细电路图可参考现有相关技术，本实施例在此不做介绍。
[0066]
由此，振荡器输出信号的周期近似为：
[0067][0068]
其中，c表示振荡器的中的充电电容，v表示振荡器的输入电压，i表示电容的充电电流。
[0069]
则使能信号t_tem和时钟信号t_con的周期分别可以表示为：
[0070]
[0071][0072]
计数器的输出则为：
[0073][0074]
其中，c1和c2分别为第一压控振荡器和第二压控振荡器中充电电容的容值，n为2分频分频器个数。
[0075]
此处，可以认为v
ref
的温度系数很小，近似不随温度变化。v
amp
为温度相关的放大电压，其一阶导数满足：
[0076][0077]
其中，a为放大电路放大倍数，v
be
为温度相关的电压产生电路输出的参考电压，其值为pnp管基极-发射极电压差，其表达式为：
[0078][0079]
其中，v
t
表示热电压，ic表示集电极电流，is表示饱和电流。
[0080]
由此可见，计数器输出值反比于参考电压v
be
，其余参数视为与温度无关。另外，计数器输出值与电源和基准电流变化均无关。
[0081]
对输出值n对温度求导可得到温度传感器输出温度系数，其表达式为：
[0082][0083]
假设v
ref
为666mv，n为12，c1＝c2，且v
be
的温度系数基本恒定，约为-1.9mv1℃，将其带入(7)式，可得到：
[0084][0085]
因此，欲使温度传感器的测量分辨率为0.1℃，则只需满足电阻r2的阻值为电阻r1的1.71倍，即放大器的倍数a＝1.71，本实施例取整为a＝2。
[0086]
可以理解，若想要温度检测电路达到更高的精度，则只需改变放大器的倍数，即计数器的输出n随温度变化的值增大，以达到区分更小的温度变化，增加测温精度。
[0087]
由此可见，本实施例提供的测温范围可调的温度检测电路通过调节放大电路中的电阻r2与电阻r1之比，以调节放大电路的放大倍数，从而可以灵活改变温度传感器的测量分辨率，可以满足各种环境下对测量的要求。
[0088]
当然，若想要在其他温度范围(非体温区间段)实现高精度测量，还可以通过调节基准电路产生的v
ref
电压，即可在同等精度的条件下对该温度范围进行检测，以应对不同环境的需要，大大提高了温度传感器的应用灵活度。
[0089]
本发明通过在现有温度测量电路中增加一个放大电路，可以放大温度系数，从而提高分辨精度和测量精度；同时，本发明还可以通过改变基准电路的基准电压灵活改变测量范围，具有功耗低、集成度高以及对工艺偏差不敏感的优点，能够满足各种温度区间的高
精度测量要求。
[0090]
进一步的，本发明由于增加了放大器电路，可在不增加分频比的情况下提高分辨精度，或减小一定的分频比，达到同等分辨精度，此方法可大幅缩减温度采样时间，可应用于一些对速度有要求的特定环境；相比提高分频比或振荡器频率提升分辨率的方法，本发明受压控振荡器的周期抖动或分频器、计数器的数字噪声带来的量化输出的影响相对较小，减小量化输出的波动。
[0091]
此外，本发明提供的温度检测电路为微功耗设计，其消耗的电流在芯片产生的温升可以忽略，减小了自身电路对温度传感电路测试的影响。
[0092]
实施例二
[0093]
在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种无源传感标签。请参见图3，图3是本发明实施例提供的无源传感标签的结构示意图。其中，所述无源传感标签上集成有温度检测电路和基带，所述温度检测电路为上述实施例一提供的测温范围可调的温度检测电路。
[0094]
当接收到阅读器发送的指令后，所述温度检测电路进行温度检测；
[0095]
所述基带对所述温度检测电路的测量结果进行校准，以提高检测精度。
[0096]
由于本发明电路的温度系数变化很小，既输出n的线性度很好，因此可采用单点校准法，使电路的测量精度小于0.1℃，达到测温所需精度。
[0097]
在采用单点校准法时，可假设在温度t0下，温度传感器的输出计数值为n0。若设计的温度传感器的输出数字量每个字代表为0.1℃，温度传感器输出为n1，则此时对应的实际温度即为：
[0098]
t＝(n
0-n1)
×
0.1+t0[0099]
为了方便温度校准，一般采用比较合适的温度例如37℃。通过阅读器给标签发送指令，经过标签基带的处理后，会将处理后的数据上传至标签，最终由终端设备进行运算，并把最终检测得到的具体温度值显示出来。
[0100]
实施例三
[0101]
本发明的效果还可以由以下仿真实验进一步说明：
[0102]
1、仿真条件
[0103]
本发明采用tsmc 0.18μm工艺，电源电压为1v，在35℃～42℃的范围内，对每0.1℃温度在tt工艺角下进行仿真。
[0104]
2、仿真内容
[0105]
2.1)本发明在温度范围为35℃～42℃的tt工艺角下对整体电路仿真，得到的计数器输出n随温度变化的曲线如图4所示，其曲线斜率如图5所示。从图4可以看出计数器输出n对温度的线性度非常好，并且从图5中可看出仿真的精度可以达到0.01℃，远超体温传感器所需0.1℃的精度，体现出本发明通过调节放大器的放大倍数，即可灵活调整温度传感器进度的优点。
[0106]
2.2)本发明在温度范围为35℃～42℃的tt工艺角下对整体电路仿真，得到的整体电路功耗随温度变化的曲线如图6所示，从图6可以看出，电路功耗较小，为1.89μw。
[0107]
2.3)本发明在温度范围为35℃～42℃的tt工艺角下对整体电路仿真，得到采用单点校准后拟合曲线与实际测温曲线的对比图如图7所示，图7可以看出在两端，两条曲线会有误差，通过图7可看到在温度边缘两端，其误差最大为
△
n＝5。
[0108]
2.4)本发明在温度范围为35℃～42℃的tt工艺角下对整体电路仿真，得到采用单点校准后拟合曲线与实际测温曲线输出值量化误差曲线如图8所示，图8可看出在整个温度测量区间，两曲线的差值最大为5，具有很小的量化输出误差。
[0109]
2.5)本发明在温度范围为35℃～42℃的tt工艺角下对整体电路仿真，得到采用单点校准后拟合曲线与实际测温曲线温度量化误差曲线如图9所示，可看出在整个温度测量区间，两曲线的实际温度误差精度小于0.05℃，即电路的分辨率为0.01摄氏度，误差精度为0.05℃，体现出本发明的体温传感器具有相当高的测温精度。
[0110]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。