[发明专利]全集成数字温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种温度测量技术，尤其为温度补偿晶体的温度检测电路。

背景技术

数字化、智能化、集成化和标准化已成为当今温度传感器技术发展的主流。传统的由非集成工艺制作的信号单元、信号调理电路、微处理器和总线组合构成的系统是实现智能传感器的最快捷方案，然而，显然这种方案带来高成本不适合当今竞争异常激烈的无线通信应用中，而采用高集成度、低成本化的标准CMOS技术实现是其发展的必然方向，并且愈来愈多的温度传感器采用数字输出，作为温度显示接口的输入或其它功能模块的信号输入，不但实现了技术成熟的数字信号调理方式，而且提高了系统集成度，降低了成本，更具竞争优势。

温度传感技术的一个很重要领域是温度补偿晶体的实现。众所周知，晶体振荡器又称石英晶体谐振器由于具有良好的频率稳定性而一直作为主要的精确频率源来使用。同时，随着便携式电子产品如通讯设备等的飞速发展，对频率源的精确性提出越来越高的要求，例如，无线通信中频率合成器的时钟参考输入在其工作温度范围内不够精确，会使频率合成器输出噪声性能降低和增加稳定时间等。然而，由于晶体本身所固有的温度特性，其振荡频率随温度变化呈近似的三次曲线关系(对于常用的AT切割型晶体来说)，影响其应用的温度范围，成为制约其应用的重要因素。因此为在较宽温度范围内获得更高稳定性的精确频率源(如精度小于10ppm，ppm为每百万分之一)，通常需要对其进行温度补偿。

晶体的频率温度补偿主要通过改变振荡电路中变容管的控制电压使其电容大小发生变化，进而改变频率大小，这里变容管的控制电压通常称为补偿电压，它是来自温度传感电路的信号，与温度成一定的比例关系(例如，对于AT切割型的晶体来讲，它与温度呈近似的三次函数关系)。图1为常见的补偿晶体的基本示意框图。图1中感温单元通常为模拟电路，实现方法主要有三种：1)由于PN结电压在较宽的温度范围内与温度呈近似的线性关系，因而通常用PN结电压或与其相关的模拟信号如与温度成正比(PTAT)的电流来得到感温信号；2)利用MOS管的阈值电压与温度成近似的线性关系生成感温信号，通常其温度线性范围比PN结窄，不适用工作温度较宽的应用；3)采用热敏电阻通常最简捷，但在大都数IC工艺里实现温度线性度良好的热敏电阻不太容易，即使能够实现，其成本也相对提高很多。在以上三种方法中，通常采用由PN结电压转换成的PTAT电流作为感温信号，因为其与温度的线性度比PN电压更好，并且衬底PN结相比横向PN结具有更小的压敏系数，更适合作感温元件，显然易见，标准CMOS工艺正好能够提供这种器件。然而，这三种方法实现得到绝对精度很大程度上都与工艺误差有关，如果要得到较好的绝对精度，需要设法消除工艺的离散性带来的影响，如采用动态电流匹配技术减小工艺偏差对PTAT电流的影响，而这必然会增加了电路的设计复杂性和提高了系统成本。通常，感温信号需转换成数字信号，送到可编程只读存储器(EEROM)电路中，查找补偿系数，再经由三次函数发生器得到补偿电压。将感温信号转换成数字信号的功能由图1中的A/D转换电路完成。如图1中虚线框所示，偏置电路、感温单元、A/D转换电路和编码电路实际上构成了一个数字温度传感器，它将温度信号转换成数字信号以供给其它电路处理。通常，A/D转换电路采用了模拟电压比较器，对模拟电压比较参考电压精度要求高。此参考电压需要工艺补偿和温度补偿来实现高精度，如采用斩波技术(CHOP)减小电压基准电路中运放的失调、增加二阶或更高阶温度补偿电路和采用修调技术获得精确的电压等，显然这增加设计的难度。另外，若要提高温度传感器的精度需要增加A/D转换电路的输出位数，导致需要使用更多的模拟电压比较器，大大地增加了芯片面积，提高了系统成本。由于感温信号是个低频信号，采用∑Δ-ADC能够提高温度传感器的精度，但这大大增加了设计复杂性，增加了功耗。

现有技术中SAR(successive approximation register)算法为逐次逼近算法。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种新型的温度传感器方案，实现了与标准CMOS工艺兼容、低成本的全集成数字温度传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：