温度传感器、温度测量方法及芯片与流程

本发明是关于高精度模拟信号链与传感器芯片的设计，特别是关于一种温度传感器、温度测量方法及芯片。

背景技术：

1、传统的数字温度传感器芯片的结构如图1或图2所示。图1是先产生增量型adc（iadc：incremental adc）的间接参考电压vref，即：

2、vref=α*δvbe+vbe

3、上式中δvbe和vbe分别具有正的和负的温度系数。理想的情况是通过调整δvbe的系数值（目标放大倍数α），使得间接参考电压vref不随温度变化。但目标放大倍数α是通过模拟电路实现的，其准确度和精度都受到很大的限制，如非整数值的误差>5%。

4、图2和图1相比，不直接产生间接参考电压vref而省去了模拟电压加法器。在图2中，根据比较器的前一次输出电平，选择积分器的输入是α*δvbe还是-vbe。无论图1还是图2，iadc输出的参考系数均为：

5、

6、理想的目标放大倍数α是使间接参考电压vref不随温度t变化，即

7、

8、但由于通过模拟电路实现的目标放大倍数α的精度受器件失配等因素的影响，其精度有限而通常难以满足高精度（如业界领先的±0.1℃）温度传感的要求。即便δvbe和vbe与温度t都是理想的线性关系，目标放大倍数α的误差会导致iadc输出参考系数μ与温度t的函数关系中产生非线性。

9、图3显示当目标放大倍数α的误差为±5%或±10%时，在40℃单点校准后的温度传感误差。图4则显示了当目标放大倍数α的误差为±1%或±2%时的测温误差。可见，当目标放大倍数α的误差分别为±1%、±2%、±5%和±10%时，在-40℃~125℃的全温度范围内，其引起的最大的测温误差分布超过±0.1℃、±0.2℃、±0.5℃、和±1℃。

10、消除目标放大倍数α偏差引起的温度传感误差，则需要在数字电路或软件里对iadc输出参考系数μ与温度t的非线性曲线进行分段补偿、或者采用成本很高的多点温度校准。这些弥补传统数字温度传感器结构缺点的方法，不但显著增加了芯片或系统解决方案的复杂度和成本，也牺牲了温度传感器的测温精度。

11、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种温度传感器、温度测量方法及芯片，其能够消除目标放大倍数偏差引起的温度传感误差，且不增加芯片或系统解决方案的复杂度和成本。

2、为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种温度传感器，包括：模数转换器、第一数字电路、乘法器以及第二数字电路。

3、所述模数转换器与用于感应待测温度的第一晶体管和第二晶体管相连，用于将第一晶体管的pn结之间的正向电压与第二晶体管的pn结之间的正向电压的差值电压放大整数倍并转换成对应的第一数字信号，所述模数转换器同时与用于感应待测温度的第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管相连，用于将第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管的pn结之间的正向电压转换成第二数字信号，第一晶体管的pn结之间的正向电压、第二晶体管的pn结之间的正向电压以及第三晶体管的pn结之间的正向电压为由晶体管（三极管，bipolar）产生的温度电压。

4、所述第一数字电路用于基于所述差值电压的整数放大倍数以及目标放大倍数而获得校正数字因子。

5、所述乘法器用于基于校正数字因子对第一数字信号进行校正而获得第三数字信号。

6、所述第二数字电路用于基于第二数字信号和第三数字信号获得与温度呈线性关系的参考系数。

7、在本发明的一个或多个实施例中，所述温度传感器还包括第三数字电路，用于基于参考系数获得待测温度值。

8、在本发明的一个或多个实施例中，所述模数转换器包括采样单元、积分单元和比较单元，所述采样单元用于对第一晶体管的pn结之间的正向电压与第二晶体管的pn结之间的正向电压的差值电压进行采样而输出第一采样信号，所述采样单元用于对第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管的pn结之间的正向电压进行采样而输出第二采样信号，所述积分单元用于基于参考电压对第一采样信号进行积分而输出第一积分信号以及对第二采样信号进行积分而输出第二积分信号，所述比较单元用于基于时钟信号分别与第一积分信号和第二积分信号的比较而输出第一数字信号和第二数字信号。

9、在本发明的一个或多个实施例中，所述采样单元包括n个电容，所述电容的第一端连接有一组第一开关，所述电容的第二端连接有一组第二开关，至少一个第一开关和至少一个第二开关分别与第一晶体管和第二晶体管的第一端相连，至少一个第一开关和至少一个第二开关分别与地电压以及第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管的第一端相连。

10、在本发明的一个或多个实施例中，所述采样单元包括用于对第一晶体管的pn结之间的正向电压与第二晶体管的pn结之间的正向电压的差值电压进行采样的第一采样电路以及用于对第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管的pn结之间的正向电压进行采样的第二采样电路。

11、在本发明的一个或多个实施例中，所述第一采样电路包括n个第一电容以及与第一电容的第一端相连的第一开关、与第一电容的第二端相连的第二开关，所述第一开关和第二开关分别与第一晶体管的第一端以及第二晶体管的第二端相连，和/或

12、所述第二采样电路包括n个第二电容以及与第二电容的第一端相连的第三开关、与第二电容的第二端相连的第四开关，所述第三开关和第四开关分别与地电压以及第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管的第一端相连。

13、在本发明的一个或多个实施例中，所述校正数字因子γ=α/n，其中，α为目标放大倍数，n为所述差值电压的整数放大倍数。

14、在本发明的一个或多个实施例中，所述参考系数为，其中，d2为第二数字信号，d3为第三数字信号。

15、本发明还公开了一种温度测量方法，包括：

16、通过模数转换器将第一晶体管的pn结之间的正向电压与第二晶体管的pn结之间的正向电压的差值电压放大整数倍并转换成对应的第一数字信号，以及将第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管的pn结之间的正向电压转换成第二数字信号；

17、通过第一数字电路基于所述差值电压的整数放大倍数以及目标放大倍数而获得校正数字因子；

18、通过乘法器基于校正数字因子对第一数字信号进行校正而获得第三数字信号；

19、通过第二数字电路基于第二数字信号和第三数字信号获得与温度呈线性关系的参考系数。

20、与现有技术相比，根据本发明实施例的温度传感器、温度测量方法及芯片，通过模数转换器将第一晶体管和第二晶体管的差值电压进行放大整数倍并转换成第一数字信号以及将第三晶体管的正向电压转换成第二数字信号，通过第一数字电路基于所述差值电压的整数放大倍数以及目标放大倍数而获得校正数字因子；通过乘法器用于基于校正数字因子对第一数字信号进行校正而获得第三数字信号；通过第二数字电路基于第二数字信号和第三数字信号获得与温度呈线性关系的参考系数。

21、本发明实施例的温度传感器避免了差值电压的整数放大倍数的偏差带来的非线性校正困难；本发明实施例的温度传感器避免了模数转换器的间接参考电压的温度漂移带来的非线性校正困难；本发明实施例的温度传感器避免了间接参考电压的随机偏差带来的增益校准困难。

22、本发明实施例的温度传感器简化了低噪声的参考电压产生电路的设计；本发明实施例的温度传感器通过模数转换器中的电容采样采用动态单元匹配（dem：dynamicelement matching）技术，在芯片硬件中实现了以最接近准确的目标放大倍数的整数值为初始放大倍数；本发明实施例的温度传感器方便地实现了全数字、高精度、且具有一致性的目标放大倍数的修正。

23、本发明实施例的温度传感器方便了优化目标放大倍数以补偿第三晶体管的正向电压的非线性导致的测温误差；本发明实施例的温度传感器结合已知的且精确的芯片上差值电压和第三晶体管的正向电压的实现技术，如三极管电流增益β的补偿技术、三极管基极和发射极寄生电阻的消除技术等等，保证了单点温度校准下的高精度温度测量。