CN101762338B - 温度传感器电路及温度信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度传感器电路，包括温度感测部分和温度信号转换部分，温度感测部分包括三路并联在电源端与地之间的电流源电路；温度信号转换部分包括一个复用器和一个模数转换器，复用器有三个信号输入端，分别连接每个电流源电路中双极型晶体管，复用器的电压输出端连接模数转换器的模拟信号输入端。本发明还提供了一种由上述电路实现的温度信号处理方法，由三路电流源电路中的电压值计算得到温度信号值。本发明通过对产生的三个基极发射极电压VBE1、VBE2和VBE3进行运算产生和绝对温度成正比的电压VPTAT，可以补偿双极型晶体管等效串联电阻的影响，从而使得VPTAT更接近于理想值，并且和绝对温度成正比，大大提高了温度传感器电路的精度。

Description

温度传感器电路及温度信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种温度传感器电路。本发明还涉及一种温度传感器电路对温度信号进行处理的方法。 

背景技术

现有的温度传感器电路如图1所示，包括温度感测部分和温度信号转换部分，所述温度感测部分包括两路并联在电源端VDD与地VSS之间的电流源电路，所述每路电流源电路包括一个电流源和一个双极型晶体管，如图1所示的Q4或Q5，所述电流源的一端连接电源端，另一端连接所述双极型晶体管的发射极，所述电流源产生电流的方向为由电源端向双极型晶体管的发射极，所述双极型晶体管的集电极与基极相连接并接地；所述温度信号转换部分包括一个复用器和一个模数转换器，所述复用器有两个信号输入端，分别连接每个电流源电路中的双极型晶体管的发射极，所述复用器的电压输出端连接所述模数转换器的模拟信号输入端V_IN。 

所述双极型晶体管发射极产生与绝对温度成反比的电压VBE4和VBE5，由电压复用器和模数转换器构成的温度信号转换部分，把和温度有关的电压信号转换成表示环境温度的数字信号。 

根据双极型晶体管的特性可知： 

$\mathrm{VBE}4=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{I}{I_S}\right)+I\·\mathrm{RS}$

$\mathrm{VBE}5=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{\mathrm{pI}}{I_S}\right)+\mathrm{pI}\·\mathrm{RS}$

其中，k是波尔兹曼常数，为1.38×10^-23J/K，T是绝对温度，q是单位电子电荷，为1.6×10^-19C，I是双极型晶体管Q4的集电极电流，Is是双极型晶体管的饱和电流，RS是双极型晶体管Q4和Q5的等效串联电阻，p是Q5集电极电流大小对Q4集电极电流大小的倍率。 

温度信号转换部分首先把VBE4和VBE5转换成和绝对温度成比例的电压VPTAT，以及和温度无关的基准电压VREF。 

$\mathrm{VPTAT}=\mathrm{VBE}5-\mathrm{VBE}4=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln$

VREF＝VBE4+α·VPTAT； 

其中α为一个比例系数，数值由器件特性决定，使VBE4的温度系数和α·VPTAT的温度系数互相抵消，从而产生和温度无关的电压VREF； 

ADC输出数字温度信号为： 

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{VPTAT}}{\mathrm{VREF}}.$

由于双极型晶体管存在等效串联电阻RS，所以VPTAT不是完全和绝对温度成正比，而是有一个固定的失调，因此产生了温度测量误差。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种温度传感器电路，以及一种温度传感器电路对温度信号进行处理的方法，能够采用较为简单的电路结构，提高温度传感器电路的测量精度。 

为解决上述技术问题，本发明温度传感器电路的技术方案是，包括温度感测部分和温度信号转换部分，所述温度感测部分包括三路并联在电源端与地之间的电流源电路，所述每路电流源电路包括一个电流源和一个PNP管，所述电流源的一端连接电源端，另一端连接所述PNP管的发射极，所述电流源产生电流的方向为由电源端向PNP管的发射极，所述PNP管的集电极与基极相连接并接地；所述温度信号转换部分包括一个复用器和一个模数转换器，所述复用器有三个信号输入端，分别连接每个电流源电路中的PNP管的发射极，所述复用器的电压输出端连接所述模数转换器的模拟信号输入端。 

本发明温度信号处理方法的技术方案是，所述复用器采集电流源电路中的电压信号，三路电流源电路中的电压信号分别为： 

$\mathrm{VBE}1=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{I_1}{I_{S1}}\right)+I_1\·\mathrm{RS}1;$

$\mathrm{VBE}2=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{m_1{I}_1}{I_{S1}}\right)+m_1{I}_1\·\mathrm{RS}1;$

$\mathrm{VBE}3=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{n_1{I}_1}{I_{S1}}\right)+n_1{I}_1\·\mathrm{RS}1;$

其中，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电子电荷，I₁是第一路电流源电路中PNP管的集电极电流，I_S1是PNP管的饱和电流，RS1是PNP管的等效串联电阻，m₁是第二路电流源电路中PNP管的集电极电流相对于第一路电流源电路中PNP管的集电极电流的比例系数；n₁是第三路电流源电路中PNP管的集电极电流相对于第一路电流源电路中PNP管的集电极电流的比例系数； 

所述复用器将VBE1、VBE2和VBE3转换成和绝对温度成比例的电压 VPTAT，以及和温度无关的基准电压VREF， 

$\mathrm{VPTAT}=(n_1-1)(\mathrm{VBE}2-\mathrm{VBE}1)-(m_1-1)(\mathrm{VBE}3-\mathrm{VBE}1)=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{{m_1}^{n_1-1}}{{n_1}^{m_1-1}}\right);$

VREF＝VBE1+α·VPTAT； 

其中α为一个比例系数，数值由器件特性决定，使VBE1的温度系数和α·VPTAT的温度系数互相抵消，从而产生和温度无关的电压VREF； 

之后，所述模数转换器的输出信号值为： 

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{VPTAT}}{\mathrm{VREF}}.$

本发明一种温度传感器电路的另一种技术方案是，包括温度感测部分和温度信号转换部分，所述温度感测部分包括三路并联在电源端与地之间的电流源电路，所述每路电流源电路包括一个电流源和一个NPN管，所述电流源的一端连接电源端，另一端连接所述NPN管的集电极，所述电流源产生电流的方向为由电源端向NPN管的集电极，所述NPN管的集电极与基极相连接，所述NPN管的发射极接地；所述温度信号转换部分包括一个复用器和一个模数转换器，所述复用器有三个信号输入端，分别连接每个电流源电路中的NPN管的集电极，所述复用器的电压输出端连接所述模数转换器的模拟信号输入端。 

本发明温度信号处理方法的另一种技术方案是，所述复用器采集电流源电路中的电压信号，三路电流源电路中的电压信号分别为： 

$\mathrm{VBE}1=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{I_2}{I_{S2}}\right)+I_2\·\mathrm{RS}2;$

$\mathrm{VBE}2=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{m_2{I}_2}{I_{S2}}\right)+m_2{I}_2\·\mathrm{RS}2;$

$\mathrm{VBE}3=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{n_2{I}_2}{I_{S2}}\right)+n_2{I}_2\·\mathrm{RS}2;$

其中，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电子电荷，I₂是第一路电流源电路中NPN管的集电极电流，I_S2是NPN管的饱和电流，RS2是NPN管的等效串联电阻，m₂是第二路电流源电路中NPN管的集电极电流相对于第一路电流源电路中NPN管的集电极电流的比例系数；n₂是第三路电流源电路中NPN管的集电极电流相对于第一路电流源电路中NPN管的集电极电流的比例系数； 

所述复用器将VBE1、VBE2和VBE3转换成和绝对温度成比例的电压VPTAT，以及和温度无关的基准电压VREF， 

$\mathrm{VPTAT}=(n_2-1)(\mathrm{VBE}2-\mathrm{VBE}1)-(m_2-1)(\mathrm{VBE}3-\mathrm{VBE}1)=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{{m_2}^{n_2-1}}{{n_2}^{m_2-1}}\right);$

VREF＝VBE1+α·VPTAT； 

其中α为一个比例系数，数值由器件特性决定，使VBE1的温度系数和α·VPTAT的温度系数互相抵消，从而产生和温度无关的电压VREF； 

之后，所述模数转换器的输出信号值为： 

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{VPTAT}}{\mathrm{VREF}}.$

本发明通过添加了第三条电流源电路，使得电路结构仍然较为简单，同时大大提高了温度传感器电路的精度。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明： 

图1为现有的温度传感器电路的电路图； 

图2和图3为本发明温度传感器电路的电路图。 

具体实施方式

本发明公开了一种温度传感器电路，如图2所示，包括温度感测部分和温度信号转换部分，所述温度感测部分包括三路并联在电源端VDD与地VSS之间的电流源电路，所述每路电流源电路包括一个电流源和一个PNP管，如图2所示的Q1、Q2或Q3，所述电流源的一端连接电源端，另一端连接所述PNP管的发射极，所述电流源产生电流的方向为由电源端向PNP管的发射极，所述PNP管的集电极与基极相连接并接地；所述温度信号转换部分包括一个复用器和一个模数转换器，所述复用器有三个信号输入端，分别连接每个电流源电路中的PNP管的发射极，所述复用器的电压输出端连接所述模数转换器的模拟信号输入端V_IN。 

本发明还提供了一种采用上述温度传感器电路实现的温度信号处理方法，所述复用器采集电流源电路中的电压信号，三路电流源电路中的电压信号分别为： 

$\mathrm{VBE}1=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{I_1}{I_{S1}}\right)+I_1\·\mathrm{RS}1;$

$\mathrm{VBE}2=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{m_1{I}_1}{I_{S1}}\right)+m_1{I}_1\·\mathrm{RS}1;$

$\mathrm{VBE}3=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{n_1{I}_1}{I_{S1}}\right)+n_1{I}_1\·\mathrm{RS}1;$

其中，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电子电荷，I₁是第一路电流源电路中PNP管的集电极电流，I_S1是PNP管的饱和电流，RS1是PNP管的等效串联电阻，m₁是第二路电流源电路中PNP管的集电极电流相对 于第一路电流源电路中PNP管的集电极电流的比例系数；n₁是第三路电流源电路中PNP管的集电极电流相对于第一路电流源电路中PNP管的集电极电流的比例系数； 

所述复用器将VBE1、VBE2和VBE3转换成和绝对温度成比例的电压VPTAT，以及和温度无关的基准电压VREF， 

$\mathrm{VPTAT}=(n_1-1)(\mathrm{VBE}2-\mathrm{VBE}1)-(m_1-1)(\mathrm{VBE}3-\mathrm{VBE}1)=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{{m_1}^{n_1-1}}{{n_1}^{m_1-1}}\right);$

VREF＝VBE1+α·VPTAT； 

其中α为一个比例系数，数值由器件特性决定，使VBE1的温度系数和α·VPTAT的温度系数互相抵消，从而产生和温度无关的电压VREF； 

之后，所述模数转换器的输出信号值为： 

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{VPTAT}}{\mathrm{VREF}}.$

本发明还公开了另一种温度传感器电路，如图3所示，包括温度感测部分和温度信号转换部分，其特征在于，所述温度感测部分包括三路并联在电源端与地之间的电流源电路，所述每路电流源电路包括一个电流源和一个NPN管，所述电流源的一端连接电源端，另一端连接所述NPN管的集电极，所述电流源产生电流的方向为由电源端向NPN管的集电极，所述NPN管的集电极与基极相连接，所述NPN管的发射极接地；所述温度信号转换部分包括一个复用器和一个模数转换器，所述复用器有三个信号输入端，分别连接每个电流源电路中的NPN管的集电极，所述复用器的电压输出端连接所述模数转换器的模拟信号输入端。 

本发明还提供了一种采用上述温度传感器电路实现的温度信号处理方 法，其特征在于，所述复用器采集电流源电路中的电压信号，三路电流源电路中的电压信号分别为： 

$\mathrm{VBE}1=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{I_2}{I_{S2}}\right)+I_2\·\mathrm{RS}2;$

$\mathrm{VBE}2=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{m_2{I}_2}{I_{S2}}\right)+m_2{I}_2\·\mathrm{RS}2;$

$\mathrm{VBE}3=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{n_2{I}_2}{I_{S2}}\right)+n_2{I}_2\·\mathrm{RS}2;$

其中，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电子电荷，I₂是第一路电流源电路中NPN管的集电极电流，I_S2是NPN管的饱和电流，RS2是NPN管的等效串联电阻，m₂是第二路电流源电路中NPN管的集电极电流相对于第一路电流源电路中NPN管的集电极电流的比例系数；n₂是第三路电流源电路中NPN管的集电极电流相对于第一路电流源电路中NPN管的集电极电流的比例系数； 

所述复用器将VBE1、VBE2和VBE3转换成和绝对温度成比例的电压VPTAT，以及和温度无关的基准电压VREF， 

$\mathrm{VPTAT}=(n_2-1)(\mathrm{VBE}2-\mathrm{VBE}1)-(m_2-1)(\mathrm{VBE}3-\mathrm{VBE}1)=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{{m_2}^{n_2-1}}{{n_2}^{m_2-1}}\right);$

VREF＝VBE1+α·VPTAT； 

其中α为一个比例系数，数值由器件特性决定，使VBE1的温度系数和α·VPTAT的温度系数互相抵消，从而产生和温度无关的电压VREF； 

之后，所述模数转换器的输出信号值为： 

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{VPTAT}}{\mathrm{VREF}}.$

本发明通过对产生的三个基极发射极电压VBE1、VBE2和VBE3进行运算产生VPTAT，可以补偿等效串联电阻的影响，从而使得VPTAT更接近于理想值，并且和绝对温度成正比，大大提高了温度传感器电路的精度。 

Claims (4)

1.一种温度传感器电路，包括温度感测部分和温度信号转换部分，其特征在于，所述温度感测部分包括三路并联在电源端与地之间的电流源电路，所述每路电流源电路包括一个电流源和一个PNP管，所述电流源的一端连接电源端，另一端连接所述PNP管的发射极，所述电流源产生电流的方向为由电源端向PNP管的发射极，所述PNP管的集电极与基极相连接并接地；所述温度信号转换部分包括一个复用器和一个模数转换器，所述复用器有三个信号输入端，分别连接每个电流源电路中的PNP管的发射极，所述复用器的电压输出端连接所述模数转换器的模拟信号输入端。

2.一种采用如权利要求1所述的温度传感器电路实现的温度信号处理方法，其特征在于，所述复用器采集电流源电路中的电压信号，三路电流源电路中的电压信号分别为：

$\mathrm{VBE}1=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{I_1}{I_{S1}}\right)+I_1\·\mathrm{RS}1;$

$\mathrm{VBE}2=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{m_1{I}_1}{I_{S1}}\right)+m_1{I}_1\·\mathrm{RS}1;$

$\mathrm{VBE}3=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{n_1{I}_1}{I_{S1}}\right)+n_1{I}_1\·\mathrm{RS}1;$

其中，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电子电荷，I₁是第一路电流源电路中PNP管的集电极电流，I_S1是PNP管的饱和电流，RS1是PNP管的等效串联电阻，m₁是第二路电流源电路中PNP管的集电极电流相对于第一路电流源电路中PNP管的集电极电流的比例系数；n₁是第三路电流源电路中PNP管的集电极电流相对于第一路电流源电路中PNP管的集电极电流的比例系数；

所述复用器将VBE1、VBE2和VBE3转换成和绝对温度成比例的电压VPTAT，以及和温度无关的基准电压VREF，

$\mathrm{VPTAT}=(n_1-1)(\mathrm{VBE}2-\mathrm{VBE}1)-(m_1-1)(\mathrm{VBE}3-\mathrm{VBE}1)=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{{m_1}^{n_1-1}}{{n_1}^{m_1-1}}\right);$

VREF＝VBE1+α·VPTAT；

其中α为一个比例系数，数值由器件特性决定，使VBE1的温度系数和α·VPTAT的温度系数互相抵消，从而产生和温度无关的电压VREF；

之后，所述模数转换器的输出信号值为：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{VPTAT}}{\mathrm{VREF}}.$

3.一种温度传感器电路，包括温度感测部分和温度信号转换部分，其特征在于，所述温度感测部分包括三路并联在电源端与地之间的电流源电路，所述每路电流源电路包括一个电流源和一个NPN管，所述电流源的一端连接电源端，另一端连接所述NPN管的集电极，所述电流源产生电流的方向为由电源端向NPN管的集电极，所述NPN管的集电极与基极相连接，所述NPN管的发射极接地；所述温度信号转换部分包括一个复用器和一个模数转换器，所述复用器有三个信号输入端，分别连接每个电流源电路中的NPN管的集电极，所述复用器的电压输出端连接所述模数转换器的模拟信号输入端。

4.一种采用如权利要求3所述的温度传感器电路实现的温度信号处理方法，其特征在于，所述复用器采集电流源电路中的电压信号，三路电流源电路中的电压信号分别为：

$\mathrm{VBE}1=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{I_2}{I_{S2}}\right)+I_2\·\mathrm{RS}2;$

$\mathrm{VBE}2=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{m_2{I}_2}{I_{S2}}\right)+m_2{I}_2\·\mathrm{RS}2;$

$\mathrm{VBE}3=\frac{\mathrm{kT}}{q}\left(\ln \frac{n_2{I}_2}{I_{S2}}\right)+n_2{I}_2\·\mathrm{RS}2;$

其中，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电子电荷，I₂是第一路电流源电路中NPN管的集电极电流，I_S2是NPN管的饱和电流，RS2是NPN管的等效串联电阻，m₂是第二路电流源电路中NPN管的集电极电流相对于第一路电流源电路中NPN管的集电极电流的比例系数；n₂是第三路电流源电路中NPN管的集电极电流相对于第一路电流源电路中NPN管的集电极电流的比例系数；

所述复用器将VBE1、VBE2和VBE3转换成和绝对温度成比例的电压VPTAT，以及和温度无关的基准电压VREF，

$\mathrm{VPTAT}=(n_2-1)(\mathrm{VBE}2-\mathrm{VBE}1)-(m_2-1)(\mathrm{VBE}3-\mathrm{VBE}1)=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{{m_2}^{n_2-1}}{{n_2}^{m_2-1}}\right);$

VREF＝VBE1+α·VPTAT；

其中α为一个比例系数，数值由器件特性决定，使VBE1的温度系数和α·VPTAT的温度系数互相抵消，从而产生和温度无关的电压VREF；

之后，所述模数转换器的输出信号值为：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{VPTAT}}{\mathrm{VREF}}.$

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