一种有效提高温度传感器感温精度的模拟前端电路模块

1.本发明涉及数模混合集成电路设计领域，尤其是涉及一种应用于集成温度传感器精度的模拟前端电路。


背景技术：

2.温度传感器主要通过双极晶体管感温，通过对双极晶体管进行偏置产生所需要的δv
be
与v
be
电压。但是，在器件生产过程中，由于不确定性与外界环境因素的影响，芯片的性能参数会在一定范围内波动。在生产的不同批次之间、同一生产批次内的不同晶圆之间、甚至同一晶圆内的芯片的参数都会有较大差异，这种工艺偏差会影响器件的参数及性能。这种工艺偏差会对器件的参数及性能产生影响。如mos管的不匹配会导致电流源的失配，晶体管的失配会对v
be
电压产生影响，影响偏置电流及δv
be
的精度，从而对温度传感器的测温精度产生影响。若仅依靠版图的优化，难以提高电流镜的匹配精度，为了解决电流镜失配对电路造成的影响，可以采用动态匹配技术。采用p+1个相同的单位电流源来对晶体管进行偏置，并通过开关对其通断进行选择，从而抵消掉电流源的一阶不匹配误差。
3.运放的失调电压v
os
一般在μv量级，有时甚至能达到mv量级，会对电压信号的精度产生影响。为减小运放的失调电压，通常在运放的输入输出端加入斩波开关。斩波放大器的基本原理是输入信号首先经过一个由时钟信号控制的周期性翻转的斩波开关。通过斩波开关对输入信号进行方波调制，使得输入信号被调制到高频。之后信号被带有失调电压的放大器进行放大，这时，放大器输出端的信号包括处于高频的输入信号和处于低频的失调电压。在通过另一个斩波开关对信号进行解调后，信号被调制回到低频，与此同时，失调电压则被调制到高频，再经过低通滤波器后，失调电压被滤除。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种能够消除因晶体管与电流镜的失配对δv
be
电压的影响，能够消除由于运放的失调对电路造成的影响的一种有效提高温度传感器感温精度的模拟前端电路模块。
5.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
6.一种有效提高温度传感器感温精度的模拟前端电路模块，包括偏置电路、δv
be
电压产生电路、v
be
电压产生电路三个部分，所述偏置电路采用双极晶体管感温，为δv
be
电压产生电路与v
be
电压产生电路提供更为精准的ptat偏置电流，所述δv
be
电压产生电路与v
be
电压产生电路所产生的电压，按照一定比例进行线性组合，可以得到v
ptat
与参考电压v
ref
。
7.所述偏置电路由m1～m2与晶体管q
b1
、q
b2
共同构成，m1～m2为电流镜，对晶体管q
b1
与q
b2
进行偏置，同时电流镜与运放构成负反馈环路，使得运放的输入端电压相等，从而使电阻r两端的电压为晶体管q
b1
与q
b2
的v
be
电压之差δv
be
，经过电流镜镜像得到ptat电流。
8.所述δv
be
电压产生电路由m3～m8与晶体管q1、q2共同构成，m3～m8共同构成电流镜，对晶体管q1与q2进行偏置，使晶体管q1与q2的偏置电流比为1:5，从而产生δv
be
电压。采
用动态匹配技术消除因电流源的失配而引起的δv
be
误差，通过dem信号控制电路中开关的通断，在任意时刻晶体管q1与q2的电流比为1:8，从而平均因电流源失配而导致的误差，从而提高δv
be
电压的精度。
9.所述v
be
电压产生电路由m9与晶体管q3构成，m9为电流源，对晶体管q3进行偏置，从而产生所需要的v
be
电压。
10.所述偏置电路中采用8个电流镜对晶体管q1～q2进行偏置，在电流镜下方与晶体管上方加入两行dem开关，其中，s
l
开关与sr开关的时钟信号互补，sq开关与s
qb
开关的时钟信号互补，按照一定顺序的时钟信号对dem开关进行控制，这时有8x4＝32种不同的组合，包括8个相同的电流镜，四个相同的晶体管(用于产生1:3的电流)。若按照顺序开启dem开关，则需要32个周期的时间，在实际应用中，采用同时循环两行dem开关的方式，从而使所需要的仿真周期更短。
11.所述v
be
电压产生电路所采用的校准方案，v
be
电压产生电路由电流源m1-m6及晶体管q3组成，六路电流源m1《6》对晶体管q3进行偏置，用于产生所需要的v
be
电压，校准电路由电流源m2-m6组成，其电流分别为ib，ib/2，ib/4，ib/8，通过芯片外部的校准信号控制每路电流源的通断，由电流源产生的校准电流i
trim
，对晶体管q3的偏置电流进行校准，从而对晶体管q3产生的v
be
电压进行校准。
12.本发明的有益效果为：本发明提出的温度传感器感温前端电路，在运放的输入输出端添加斩波开关来减小失调电压的影响，在偏置电路与感温电路之间加入低通滤波器，以减小纹波对后端感温电路产生影响，在偏置电路采用一种动态匹配技术，在v
be
电压产生电路中加入一种校准电路，该电路所产生的δv
be
电压与v
be
电压具有更好的温度特性，能够有效提高温度传感器的精度。
附图说明
13.图1为本发明所采用的感温前端电路图；
14.图2为本发明偏置电路所采用的dem控制电路图；
15.图3为本发明vbe电压产生电路所采用的校准电路图。
具体实施方式
16.本发明涉及数模混合集成电路与设计领域的一种应用于温度传感器的模拟前端电路，根据本发明提出的预测方案，在具体实施中可采用如附图1所示的整体电路架构。
17.本发明提出的温度传感器采用双极晶体管作为感温元件。晶体管的v
be
电压具有负的温度系数。假设两个双极晶体管结构相同，其中一个晶体管是由m个相同的双极晶体管并联而组成的。当这两个双极晶体管的电流密度之比为n∶1时，这两个晶体管的v
be
电压之差为：
[0018][0019]
δv
be
电压与温度呈正相关的关系。温度传感器主要通过由不同电流偏置的双极晶体管产生所需要的δv
be
与v
be
电压，再将得到的电压信号经过一定比例的处理，得到一个与温度呈正相关的v
ptat
＝αδv
be
电压与基准电压v
ref
＝v
be
+αδv
be
。
[0020]
附图1为感温前端电路的原理图。感温前端电路主要由偏置电路、δv
be
电压产生电路与v
be
电压产生电路构成。偏置电路由m1～m2与晶体管q
b1
、q
b2
共同构成。m1～m2为电流镜，对晶体管q
b1
与q
b2
进行偏置，同时电流镜与运放构成负反馈环路，使得运放的输入端电压相等，从而使电阻r两端的电压为晶体管q
b1
与q
b2
的v
be
电压之差δv
be
，经过电流镜镜像得到ptat电流。
[0021]
在运放的输入输出端添加斩波开关来减小失调电压的影响。采用非交叠时钟信号对斩波开关进行控制，从而使运放的输入输出端的极性进行周期性的改变。若在失调电压的影响下，偏置电路的电流偏差为i
os
，则在斩波开关的不断切换下，偏置电流在i-i
os
与i+i
os
之间不断切换，使得偏置电流的平均值为i，从而消除失调电压的影响。由斩波与动态匹配技术中开关切换会产生一系列噪声，对运算放大器产生一定的扰动，从而产生纹波。为了消除纹波，防止纹波对后端感温电路产生影响，在偏置电路与感温电路之间加入低通滤波器，以便滤除运放输出端电压与晶体管q1、q2的噪声，提高测温精度。
[0022]
δv
be
电压产生电路由m3～m8与晶体管q1、q2共同构成，m3～m8共同构成电流镜，对晶体管q1与q2进行偏置，使晶体管q1与q2的偏置电流比为1:5，从而产生δv
be
电压。采用动态匹配技术消除因电流源的失配而引起的δv
be
误差，通过dem信号控制电路中开关的通断，在任意时刻晶体管q1与q2的电流比为1:8，从而平均因电流源失配而导致的误差，从而提高δv
be
电压的精度。
[0023]vbe
电压产生电路由m9与晶体管q3构成。m9为电流源，对晶体管q3进行偏置，从而产生所需要的v
be
电压。
[0024]
附图2为偏置电路所采用的动态匹配技术(dem)控制方案。偏置电路中采用8个电流镜对晶体管q1～q2进行偏置，在电流镜下方与晶体管上方加入两行dem开关，其中，s
l
开关与sr开关的时钟信号互补，sq开关与s
qb
开关的时钟信号互补。按照一定顺序的时钟信号对dem开关进行控制，这时有8x4＝32种不同的组合，包括8个相同的电流镜，四个相同的晶体管(用于产生1:3的电流)。若按照顺序开启dem开关，则需要32个周期的时间，在实际应用中，采用同时循环两行dem开关的方式，从而使所需要的仿真周期更短。
[0025]
附图3为v
be
电压产生电路所采用的校准方案。v
be
电压产生电路由电流源m1-m6及晶体管q3组成。六路电流源m1《6》对晶体管q3进行偏置，用于产生所需要的v
be
电压。校准电路由电流源m2-m6组成，其电流分别为ib，ib/2，ib/4，ib/8。通过芯片外部的校准信号控制每路电流源的通断，由电流源产生的校准电流i
trim
，对晶体管q3的偏置电流进行校准，从而对晶体管q3产生的v
be
电压进行校准。
[0026]
综上，本发明提出一种有效提高温度传感器感温精度的模拟前端电路模块，基于对温度传感器感温原理的分析，在模拟前端电路中采用动态匹配技术、斩波稳定技术，并添加校准电路，从而有效提高温度传感器感温模块的精度。