一種電阻型溫度傳感芯片的制作方法
【專利說明】-種電阻型溫度傳感巧片 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及模擬集成電路設(shè)計領(lǐng)域，特別設(shè)及一種全集成的電阻型溫度傳感忍 片。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 溫度是最普遍的環(huán)境變量，溫度傳感器在很多場合都是非常重要的。溫度傳感忍 片具備能用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造、易于集成、功耗低、體積小等特性，被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng) 域，如消費(fèi)電子、可穿戴式設(shè)備、無線射頻識別標(biāo)簽等。
[0003] 典型的溫度傳感忍片利用Ξ極管結(jié)電壓的溫度特性來進(jìn)行設(shè)計。但是由于需要高 電源電壓W使Ξ極管正常工作，此類設(shè)計不適合不斷發(fā)展的深亞微米CMOS工藝。鑒于CMOS 工藝中的片上電阻在寬溫度范圍內(nèi)具備很好的溫度線性度，電阻型設(shè)計正成為溫度傳感忍 片的主流。目前的電阻型溫度傳感忍片中，系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，且大多需要一個準(zhǔn)確的片外時鐘 源來作為參考時鐘，然而對于很多無線微系統(tǒng)的應(yīng)用，系統(tǒng)往往不提供準(zhǔn)確時鐘，因此，能 集成片上時鐘源的溫度傳感忍片非常重要。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種電阻型溫度 傳感忍片，集成有片上時鐘源，無需依賴外部時鐘源，且整體電路結(jié)構(gòu)簡單。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過W下的技術(shù)方案予W解決：
[0006] -種電阻型溫度傳感忍片，包括溫度感測電路、時間轉(zhuǎn)換電路、參考時鐘產(chǎn)生電路 和數(shù)字轉(zhuǎn)換電路;所述溫度感測電路中包括感測電阻，輸出感測電阻上的電流和電壓信息； 所述時間轉(zhuǎn)換電路用于接收所述電流、電壓信息，根據(jù)所述電流、電壓信息轉(zhuǎn)換得到隨溫度 線性變化的時間信息;所述參考時鐘產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生隨溫度線性變化的參考時鐘信號； 所述數(shù)字轉(zhuǎn)換電路用于接收所述參考時鐘信號和所述時間信息，將所述時間信息相對于所 述參考時鐘信號進(jìn)行數(shù)字量化，輸出數(shù)字量化值。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：
[000引本發(fā)明的電阻型溫度傳感忍片，通過溫度感測電路、時間轉(zhuǎn)換電路、參考時鐘產(chǎn)生 電路和數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的設(shè)置，在溫度感測電路中，感測電阻中的電流及電壓（I、V)被提取出 來，運(yùn)些電流及電壓輸入到時間轉(zhuǎn)換電路中，輸出隨溫度線性變化的時間信息值。時間信息 值被數(shù)字轉(zhuǎn)換電路量化，得到最終的數(shù)字輸出D(T)。電路中需用到的參考時鐘信號 (clkref)由參考時鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生，且隨溫度線性變換，適用于溫度傳感忍片所需要的線 性環(huán)境。本發(fā)明的電阻型溫度傳感忍片，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，且集成有輸出穩(wěn)定的或者隨溫 度線性變化的參考時鐘信號的參考時鐘產(chǎn)生電路，可不依賴外部時鐘源，集成度高。 【【附圖說明】】
[0009]圖1是本發(fā)明【具體實施方式】的電阻型溫度傳感忍片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明【具體實施方式】的電阻型溫度傳感忍片中設(shè)置為兩路信號時的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0011] 圖3是本發(fā)明【具體實施方式】的參考時鐘產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖4是本發(fā)明【具體實施方式】的參考時鐘產(chǎn)生電路中的反相器的等效結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖5是本發(fā)明【具體實施方式】的參考時鐘產(chǎn)生電路工作時開關(guān)管的控制端柵極電極 W及電容兩端的電壓的波形示意圖；
[0014] 圖6是本發(fā)明【具體實施方式】的參考時鐘產(chǎn)生電路的優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖7是本發(fā)明【具體實施方式】的開關(guān)時鐘產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖8是本發(fā)明【具體實施方式】的溫度感測電路和參考電壓產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖9是本發(fā)明【具體實施方式】的時間轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖10是本發(fā)明【具體實施方式】的時間轉(zhuǎn)換電路得到的時間信號的時序圖；
[0019] 圖11是本發(fā)明【具體實施方式】的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)示意圖。 【【具體實施方式】】
[0020] 下面結(jié)合【具體實施方式】并對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021] 如圖1所示，本【具體實施方式】的電阻型溫度傳感忍片包括溫度感測電路100、時間 轉(zhuǎn)換電路200、參考時鐘產(chǎn)生電路300和數(shù)字轉(zhuǎn)換電路400。溫度感測電路100中包括感測電 阻，用于提取感測電阻中的電流和電壓信息，輸出至?xí)r間轉(zhuǎn)換電路200。時間轉(zhuǎn)換電路200用 于接收感測電阻中的電流和電壓信息，根據(jù)電流和電壓信息轉(zhuǎn)換得到隨溫度線性變化的時 間信息。參考時鐘產(chǎn)生電路300用于產(chǎn)生隨溫度線性變化的參考時鐘信號(dkref)。數(shù)字轉(zhuǎn) 換電路400用于接收所述參考時鐘信號（clkref)和所述時間信息，將所述時間信息相對于 所述參考時鐘信號（dkref)進(jìn)行數(shù)字量化，輸出數(shù)字量化值D(T)。該數(shù)字量化值D(T)正比 于所量化的時間信息，而時間信息是基于感測電阻隨溫度線性變化，因此數(shù)字量化值D(T) 即是隨溫度線性變化的，可用于溫度傳感檢測。
[0022] 具體地，溫度感測電路100、時間轉(zhuǎn)換電路200中可設(shè)置為圍繞一路感測電阻的溫 度感測電路和時間轉(zhuǎn)換電路。運(yùn)樣，提取一路感測電阻的電壓、電流信息后，轉(zhuǎn)換得到一個 時間信息，再由數(shù)字轉(zhuǎn)換電路400基于一參考時間信號，將上述得到的一個時間信息進(jìn)行數(shù) 字量化處理。優(yōu)選地，設(shè)置兩路感測電阻、提取兩路感測電路的電壓、電流信息，轉(zhuǎn)換后得到 兩個時間信息，從而數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中可W差分處理，W消除兩個時間信息中的相同項，對兩 個時間信息的差值進(jìn)行數(shù)字量化輸出。運(yùn)樣，通過設(shè)置兩路信號，從而差分處理后降低忍片 中的噪聲，提高數(shù)字輸出的線性度。如圖2所示，為設(shè)置兩路信號時的結(jié)構(gòu)示意圖。如下，將 針對各電路模塊分別詳細(xì)說明。
[0023] 參考時鐘產(chǎn)生電路300
[0024] 對于參考時鐘產(chǎn)生電路的設(shè)計，要求其產(chǎn)生穩(wěn)定的或者隨溫度線性變換的時鐘信 號。一般的電感電容化C)振蕩器，其產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘信號，可W用于此，但其需占用較大忍 片面積。本【具體實施方式】中，采用如圖3所示的參考時鐘產(chǎn)生電路，其為?？谠O(shè)計的環(huán)形振 蕩器，通過開關(guān)管、電阻、電容W及兩個反相器的連接改進(jìn)，且開關(guān)管的導(dǎo)通電阻值遠(yuǎn)小于 電阻的阻值，第一反相器的輸入信號下降沿的闊值電壓隨溫度線性變化，且線性變化的比 例系數(shù)很小，從而振蕩器工作產(chǎn)生的振蕩頻率隨溫度的變化近似為線性變化，且線性變化 的系數(shù)接近或者等于0,遠(yuǎn)小于1，從而振蕩頻率不隨溫度變化或者僅隨溫度小幅度地線性 變化，可應(yīng)用作為參考時鐘產(chǎn)生電路，且電路結(jié)構(gòu)簡單，占用忍片面積較小。
[0025]圖3所示的參考時鐘產(chǎn)生電路為環(huán)形振蕩器，包括PM0S開關(guān)管MP、電阻R、電容C、第 一反相器invl、第二反相器inv2。其中，開關(guān)管MP的第一端連接電源VDD的輸出端，第二端連 接電阻R的第一端、電容C的第一端W及第一反相器invl的輸入端，電阻R的第二端與電容C 的第二端相連后接地，第一反相器invl的輸出端連接第二反相器inv2的輸入端，第二反相 器inv2的輸出端連接開關(guān)管MP的控制端。PM0S開關(guān)管MP的導(dǎo)通電阻值遠(yuǎn)小于電阻R的阻值。 [00%]第一反相器或者第二反相器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，實現(xiàn)方式是一個PM0S開關(guān)管 S2連接一個醒0S開關(guān)管S3。該實現(xiàn)方式下，第一反相器的輸入信號下降沿的闊值電壓即為 PM0S開關(guān)管S2的闊值電壓Vthp，而PM0S開關(guān)管S2的闊值電壓Vthp隨溫度線性變化的表達(dá)式 為：Vthp(T) = Vthpo-a (Τ-Το)，其中，T日為25 °C，Vthp日為25°C時PM0S開關(guān)管S2的闊值電壓，α在 (0.5~3)mV/°C的范圍內(nèi)。通過該實現(xiàn)方式，借助于PM0S開關(guān)管S2的闊值電壓隨溫度線性變 化，獲得了第一反相器的輸入信號下降沿的闊值電壓隨溫度線性變化，且線性變化的比例 系數(shù)在(0.5~3)mV/°C的范圍內(nèi)的目標(biāo)。該實現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低。當(dāng)然，其余可實現(xiàn)第 一反相器的闊值電壓的上述目標(biāo)的方式，均可應(yīng)用到方案中。
[0027]上述環(huán)形振蕩器工作時，PM0S開關(guān)管MP的控制端柵極電極Vpc，W及電容C兩端的電 壓Vcmt的波形圖如圖5所示。時鐘周期tcdk由上升時間tclkl和下降時間tclk2兩部分組成。工作 原理如下：
[002引第一階段：當(dāng)開關(guān)管MP的控制端柵極電壓Vpc低于(VDD-Vth_mp)時(Vth_mp為開關(guān) 管MP的闊值電壓），開關(guān)管MP導(dǎo)通，電容C的電壓將被充電至VDD。由于電容C的電壓Vout為高 電平，經(jīng)過invl和inv2兩個反相器，柵極電極Vp。將由低電平變化至高電平VDD，從而開關(guān)管 MP被關(guān)斷。
[0029] 在對電容充電過程中，電容C的充電時間正比于C*Rx，fcc為等效電阻。在電路中，Rx 為開關(guān)管MP的導(dǎo)通電阻并聯(lián)電阻R后的阻值。而由于電路中開關(guān)管MP的導(dǎo)通電阻足夠小(遠(yuǎn) 小于電阻R的阻值），因此，等效電阻Rx就很小，則將電容C兩端的電壓充電至VDD的時間會很 短暫，時鐘周期中的上升時間tciki很小，從而可遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時間常數(shù)RC，即有
[0030] tciki<<RC (Do
[0031] 優(yōu)選地，第一反相器invl和第二反相器inv2的內(nèi)部延時時間遠(yuǎn)小于時間常數(shù)RC， 其中，R表示所述電阻的阻值;C表示所述電容的容值。由于兩個反相器的內(nèi)部延時也是時鐘 周期的一部分，將反相器延時設(shè)計得遠(yuǎn)小于時間常數(shù)RC，可盡可能地減小反相器延時在整 個時鐘周期中的比重，從而盡可能減小上升時間tciki，有助于使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時間常數(shù)RC，便 于在后續(xù)做簡化省略。
[0032] 進(jìn)一步優(yōu)選