專利名稱：溫度傳感器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成電路，且更具體地，涉及溫度傳感器。背景溫度傳感器用于各種電路中，包括但不限于測量包括電路例如微處理器、電壓調(diào)節(jié)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器等的半導(dǎo)體芯片的溫度。模擬溫度傳感器一般產(chǎn)生隨著溫度增加而增加的輸出電壓，其中溫度系數(shù)可以為大約每攝氏度+10毫伏，且DC偏移電壓可以為大約500mV，允許負(fù)溫度測量值下降到-40攝氏度。具有在這個(gè)范圍內(nèi)的溫度系數(shù)和DC 偏置電壓的溫度傳感器的缺點(diǎn)是它們使用不適合于便攜式應(yīng)用例如膝上型計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、便攜式數(shù)字助手或類似物的高的最小供電電壓。這些類型的溫度傳感器也不適合于非便攜式應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冃实颓屹M(fèi)電。因此，有能夠具有被控制的溫度系數(shù)并能夠在低的供電電壓電平下操作的溫度傳感器和用于感測溫度的方法是有利的。該溫度傳感器和方法實(shí)現(xiàn)起來有成本效益是進(jìn)一步有利的。附圖的簡要說明從結(jié)合附圖理解的以下的詳細(xì)描述的閱讀中，本發(fā)明將被更好地理解，其中相似的參考符號(hào)表示相似的元件，且其中

圖1是依照本發(fā)明的實(shí)施方式的溫度傳感器的電路示意圖；以及圖2是圖1的溫度傳感器中產(chǎn)生的電壓的曲線圖。詳細(xì)描述圖1是依照本發(fā)明的實(shí)施方式的溫度傳感器10的電路示意圖。溫度傳感器10 可被制造成為單片集成電路。作為例子，溫度傳感器10是攝氏溫度(centigrade)或攝氏 (Celsius)溫度傳感器。圖1中所示出的是適合于在輸出端子或節(jié)點(diǎn)14產(chǎn)生與絕對(duì)溫度 (Vptat)成比例的電壓以及在輸出端子或節(jié)點(diǎn)16產(chǎn)生補(bǔ)充絕對(duì)溫度(Vctat)的電壓的電流發(fā)生器模塊12。緩沖器級(jí)18具有輸入端子20和輸出端子22，其中輸入端子20連接到輸出端子16以接收電壓VCTAT。溫度傳感器10還包括具有輸入端子沈和觀以及輸出端子30的放大器級(jí)對(duì)，其中輸入端子沈連接到輸出端子14以接收電壓Vptat，且輸入端子觀連接到緩沖器級(jí)18的輸出端子22，且其中輸出端子30用作放大器級(jí)M和溫度傳感器10的輸出端子。作為例子，放大器級(jí)M是差分放大器級(jí)。電流發(fā)生器模塊12由耦合到輸出級(jí)34的絕對(duì)溫度電流發(fā)生器級(jí)32的比例項(xiàng)組成。更具體地，電流發(fā)生器級(jí)32由具有共同連接在一起的柵極端子和共同連接在一起的源極端子的P溝道場效應(yīng)晶體管(FET)40和42組成。源極端子被耦合成接收操作電勢例如 Vdd的源。應(yīng)注意，共同連接的柵極端子形成輸出端子或節(jié)點(diǎn)13。P溝道FET40的漏極端子連接到PNP雙極晶體管44的發(fā)射極端子，且P溝道FET 42的漏極端子連接到阻抗48的端子。作為例子，阻抗48是電阻器。電阻器48的另一端子連接到PNP雙極晶體管46的發(fā)射極端子。PNP雙極晶體管44和46的基極端子共同連接在一起并連接到PNP雙極晶體管44 和46的集電極端子。因此，PNP雙極晶體管44和46被設(shè)置為二極管。晶體管46具有比晶體管44的發(fā)射極面積大N倍的發(fā)射極面積。PNP雙極晶體管44和46的集電極端子和基極端子被耦合以接收操作電勢例如Vss的源。作為例子，操作電勢48的源是接地電勢。PNP 雙極晶體管44和46以及阻抗48協(xié)作以形成具有輸入節(jié)點(diǎn)52和M的基極-發(fā)射極電壓差(AVbe)發(fā)生器電路51。電流發(fā)生器模塊12的絕對(duì)溫度發(fā)生器級(jí)32的比例項(xiàng)還包括具有分別連接到P溝道FET 40的PNP雙極晶體管44的漏極端子和發(fā)射極端子的反相輸入端子的誤差放大器 50、連接到P溝道FET 42的漏極端子和P溝道FET 42的漏極端子所連接的電阻器48的端子的非反相輸入端子、以及連接到P溝道場效應(yīng)晶體管40和42的柵極端子的輸出端子。P 溝道FET 40的共同連接的漏極端子、PNP雙極晶體管44的發(fā)射極端子和誤差放大器50的反相輸入端子形成可用作電流發(fā)生器模塊12的輸出端子16的節(jié)點(diǎn)52。誤差放大器50的非反相輸入端子連接到P溝道FET 42的漏極端子和與P溝道FET 42的漏極端子連接的電阻器48的端子以形成節(jié)點(diǎn)M。輸出級(jí)34包括P溝道FET 56，該P(yáng)溝道FET 56具有與P溝道FET 40和42的源極端子相連接的源極端子、連接到誤差放大器50的輸出端子以及P溝道FET 40和42的柵極端子的柵極端子、以及連接到阻抗58的端子以形成節(jié)點(diǎn)60的漏極端子。作為例子，阻抗 58是電阻器。電阻器58的另一端子連接到PNP雙極晶體管44和46的基極端子和集電極端子。應(yīng)注意，F(xiàn)ET 40、42和56協(xié)作以形成電流鏡57。作為例子，F(xiàn)ET 40、42和56是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。緩沖器級(jí)18包括具有連接到輸出端子16且因此連接到節(jié)點(diǎn)52的非反相輸入端子20以及連接到其輸出端子22的反相輸入端子21的放大器62。放大器62可以是運(yùn)算放大器、運(yùn)算跨導(dǎo)放大器等。放大器級(jí)M包括放大器64，該放大器64具有連接到電流發(fā)生器模塊12的輸出端子14的非反相輸入端子沈、通過阻抗68耦合到緩沖器級(jí)18的輸出端子22的反相輸入端子27、以及通過阻抗70耦合到其反向輸入端子27和阻抗68的端子以形成節(jié)點(diǎn)72的輸出端子30。放大器64可以是運(yùn)算放大器、運(yùn)算跨導(dǎo)放大器等。作為例子，阻抗68和70是電阻器。應(yīng)注意，放大器64的非反相輸入端子可用作放大器級(jí)M的輸入端子沈，且放大器 64的輸出端子可用作溫度傳感器10的輸出端子30。出現(xiàn)在放大器64的輸出端子處的輸出電壓用作溫度傳感器10的輸出電壓且因此出現(xiàn)在輸出端子30。出現(xiàn)在輸出端子30的輸出電壓與以攝氏溫度或攝氏度為單位的溫度成比例且具有DC偏置電壓。還應(yīng)注意，F(xiàn)ET的源極端子和漏極端子可被稱為載流電極、電流傳導(dǎo)電極，F(xiàn)ET的源極端子、漏極端子和柵極端子可被稱為控制電極、控制端子、柵極端子或柵極。類似地，雙極晶體管的集電極端子和發(fā)射極端子可被稱為載流電極、電流傳導(dǎo)電極，雙極晶體管的集電極端子、發(fā)射極端子和基極端子可被稱為控制電極、控制端子、基極端子或基極。雖然FET 40、42和56被示出和描述為P溝道晶體管，這并非對(duì)本發(fā)明的限制?？蛇x地，F(xiàn)ET 40、42和56可以是N溝道FET。同樣地，晶體管44和46被示出和描述為PNP雙極晶體管并非是對(duì)本發(fā)明的限制。可選地，晶體管44和46可以是NPN雙極晶體管。應(yīng)注意，F(xiàn)ET和雙極晶體管是指晶體管的類型，而FET 40,42和56以及雙極晶體管44和46的傳導(dǎo)類型是指它們的多數(shù)載流子。因此，N溝道FET是電子為多數(shù)載流子的一種類型的晶體管，P溝道FET是空穴為多數(shù)載流子的一種類型的晶體管。NPN雙極晶體管是電子為多數(shù)載流子的一種類型的晶體管，PNP雙極晶體管是空穴為多數(shù)載流子的一種類型的晶體管。作為例子，P溝道FET 40和42具有歸一化面積1，而P溝道晶體管56具有面積M， 其中M是P溝道FET 40和42的面積的倍數(shù)。類似地，PNP雙極晶體管44具有歸一化面積 1，而PNP雙極晶體管46具有面積N，其中N是PNP雙極晶體管44的面積的倍數(shù)。根據(jù)這個(gè)實(shí)施方式，如果P溝道FET 40和42的面積是單位一，P溝道FET56的面積是一的M倍，且如果PNP雙極晶體管44的面積是單位一，PNP雙極晶體管46的面積是一的N倍。還應(yīng)理解，晶體管的類型不是依照本發(fā)明的實(shí)施方式的限制，即，晶體管40、42和56可以是N溝道 FET，且晶體管44和46可以是NPN雙極晶體管。可選地，溫度傳感器10包括當(dāng)功率被施加于溫度傳感器10時(shí)將電流發(fā)生器模塊 12置于穩(wěn)定的操作點(diǎn)的啟動(dòng)電路74。在操作中，向溫度傳感器10施加功率，且如以上所討論的，啟動(dòng)電路74將電流發(fā)生器模塊12置于穩(wěn)定的操作點(diǎn)。啟動(dòng)電路74將電壓置于輸入端13，其將電壓設(shè)置在P溝道FET 40,42和56的柵極，且使得電流I1,12和I3從其相應(yīng)的漏極流出。因?yàn)镻溝道FET 40和42具有實(shí)質(zhì)上相同的溝道長寬(L/W)比以及相同的柵極到源極電壓，所以電流I1和 I2實(shí)質(zhì)上相等。雖然P溝道FET 56具有與P溝道FET40和42相同的柵極到源極電壓，其長寬比與P溝道FET 40和42的長寬比相差倍數(shù)“M”。因此，P溝道FET 56的漏極電流I3 是電流I1和I2的M倍，S卩，I3 = M * I1 = M * 12。應(yīng)注意，P溝道FET 40、42和56具有相同的柵極到源極電壓，因?yàn)槠鋿艠O端子電連接在一起且被耦合以接收相同的源電壓，且其源極端子電連接到一起且被耦合以接收相同的源電壓。電流被I1和I2被分別傳送到PNP雙極晶體管44和46。雖然流到PNP雙極晶體管44和46的電流相同，PNP雙極晶體管44和46的電流密度是不同的，因?yàn)樗鼈兙哂胁煌陌l(fā)射極面積。例如，如果PNP雙極晶體管44的發(fā)射極面積被歸一化為一，PNP雙極晶體管46的發(fā)射極面積是“N”，其中“N”是PNP雙極晶體管46的發(fā)射極面積與PNP雙極晶體管 44的發(fā)射極面積的比。因?yàn)檎`差放大器50將節(jié)點(diǎn)52和M處的電壓保持在實(shí)質(zhì)上相同的電壓電平，且PNP雙極晶體管44和46設(shè)置為具有不同發(fā)射極面積的二極管，電阻器48兩端的電壓V48由下式給出V48 = Δ Vbe = Vt * In (N)等式 1其中Vt是由k * T/q給出的熱電壓，其中K是玻爾茲曼(Boltzmarm)常數(shù)，q是電子電荷量，T是以開爾文(Kelvin)為單位的絕對(duì)溫度；以及N是PNP雙極晶體管46的發(fā)射極面積與PNP雙極晶體管44的發(fā)射極面積的比。節(jié)點(diǎn)60處的電壓且因此輸出端子14處的電壓可結(jié)合等式2從等式1所給出的電壓V48確定V6tl = M * AVbe * (R58/R48)等式 2其中R58是電阻器58的電阻值；以及R48是電阻器48的電阻值。將等式1代入等式2中得到V6。= M * Vt * In (N) * (R58/R48)等式 3
輸出端子14處的電壓V6tl是與絕對(duì)溫度Vptat成比例的電壓。應(yīng)注意，當(dāng)M的值為三或更大時(shí)，電阻器58的值可被相當(dāng)大地減小。當(dāng)操作電勢Vss為接地電壓時(shí)，節(jié)點(diǎn)52處的電壓且因此輸出端子16處的電壓由等式4給出V52 = Veb44 = Vt * ln(Ic44/Is44)等式 4其中Veb44是PNP雙極晶體管44的發(fā)射極-基極電壓；Ic44是PNP雙極晶體管44的集電極電流；以及Is44是PNP雙極晶體管44的發(fā)射極-基極飽和電流。輸出端子16處的電壓V52是補(bǔ)充絕對(duì)溫度Vctat的電壓。發(fā)射極-基極電壓VEB44，S卩，當(dāng)操作電勢Vss是接地電勢時(shí)的作為補(bǔ)充絕對(duì)溫度的電壓的電壓V52使用放大器62在單位增益設(shè)置中被緩沖以抑制另外的電流流入或流出節(jié)點(diǎn) 52。補(bǔ)充絕對(duì)溫度的輸出電壓Vqut62出現(xiàn)在放大器級(jí)M的輸出端子22和輸入端子28。假定放大器級(jí)M的緩沖器放大器62和放大器64是理想的，則出現(xiàn)在輸出端子30的輸出電壓Vott由下式給出Vout = Vptat+(Vptat-Vctat) * (R70/R68) 等式 5其中Vptat是與端子14處的絕對(duì)溫度成比例的電壓；Vctat補(bǔ)充端子16處的絕對(duì)溫度的電壓；R70是電阻器70的電阻值；以及R68是電阻器68的電阻值。應(yīng)注意，存在輸出電壓VQUT、電壓Vptat和電壓VeTAT在端子30、14和16處分別相等的溫度 Ttl，S卩，V0ut(T0) = Vptat(T0) = Vctat(T0)。作為例子，電壓 Vctat 在 300 開氏度(° K) 是660毫伏(mV)，且電壓Vctat的溫度系數(shù)是每攝氏度(°C)-aii V。在這個(gè)例子中，在溫度 Ttl(如果Ttl小于27°C或300° K)，電壓Vctat由等式6給出Vptat (T0) = 660mV+(2mV/°C ) * (27 °C -T0)等式 6如果輸出電壓￥_在01(或273 ° K)是500mV，且電壓Vqut的溫度系數(shù)是 10mV/°C，那么在溫度T0 (如果T0小于27°C或300° K)，電壓Vctat (T0)由等式7給出V0ut(T0) = 500mV+(10mV/°C ) ^ T0 等式 7將電壓Vptat(T0)設(shè)置為等于電壓Vctat(T0)給出大約為17. 8°C的溫度Ttl的值。圖2是依照本發(fā)明的實(shí)施方式的電壓VOT、Vptat和Vctat與溫度傳感器的溫度的關(guān)系曲線圖100。由圖2可見，電壓Vctat和Vptat在0°C到125°C的范圍內(nèi)小于950mV。因?yàn)闇囟萒0大約為17. 80C，電壓Vctat和Vptat在-40C到125°C的范圍內(nèi)也小于950mV。使用電壓Vptat和VeTAT之間的最大值、在放大器50、62和64的輸入處使用的P溝道FET的臨界電壓(Vthp)的幅值、以及用于偏置放大器50、62和64的輸入級(jí)的P溝道FET 的過驅(qū)動(dòng)電壓(Vwp)可確定最小供電電壓Vcc。最小供電電壓Vddmin由等式8給出Vddmin = MAX IVctat ；VptatI +1 Vthp | +1 V。vp | 等式 8Vddmin = 0. 95V+0. 7V+0. 15V = 1. 8V因此，根據(jù)這個(gè)例子，供電電壓可以低至1. 8V。
分析圖2中的電壓Vout, Vptat和Vctat的曲線斜率表明VeTAT和Vptat的溫度系數(shù)接近但彼此不相等。在電壓Vptat為至少700mV，S卩，比電壓Vctat高至少40mV的實(shí)施方式中，電壓 Vptat的溫度系數(shù)可從等式9確定
權(quán)利要求
1.一種溫度傳感器(10)，包括電流發(fā)生器模塊(12)，其具有輸入端子、第一輸出端子(14)和第二輸出端子(16)，其中所述電流發(fā)生器模塊(1 產(chǎn)生與在所述第一輸出端子(14)處的絕對(duì)溫度成比例的第一電壓和補(bǔ)充在所述第二輸出端子(16)處的絕對(duì)溫度的第二電壓；緩沖器級(jí)(18)，其具有第一輸入端子00)和第二輸入端子以及輸出端子(22)， 所述第一輸入端子OO)耦合到所述電流發(fā)生器模塊(1 的所述第二輸出端子(16)，且所述輸出端子0 耦合到其第二輸入端子；以及放大器級(jí)(M)，其具有第一輸入端子06)和第二輸入端子08)以及輸出端子(30)， 所述第一輸入端子06)耦合到所述電流發(fā)生器模塊(1 的所述第一輸出端子(14)，且所述第二輸入端子08)耦合到所述緩沖器級(jí)(18)的所述輸出端子02)。
2.如權(quán)利要求1所述的溫度傳感器，其中所述放大器級(jí)04)是差分放大器級(jí)，所述差分放大器級(jí)包括具有反相輸入端子(27)、非反相輸入端子和輸出端子的放大器(64)且還包括第一電阻器(70)，其中所述放大器(64)的所述輸出端子通過所述第一電阻器(70) 耦合到所述反相輸入端子(27)，且其中所述差分放大器級(jí)04)還包括耦合在所述放大器 (64)的所述反相輸入端子(XT)和所述放大器級(jí)04)的所述第二輸入端子08)之間的第二電阻器(68)。
3.如權(quán)利要求1所述的溫度傳感器，其中所述電流發(fā)生器模塊(1 包括 絕對(duì)溫度發(fā)生器級(jí)(3 的比例項(xiàng)；以及輸出級(jí)(34)，其耦合到所述絕對(duì)溫度發(fā)生器級(jí)(3 的所述比例項(xiàng)。
4.如權(quán)利要求3所述的溫度傳感器，其中所述絕對(duì)溫度發(fā)生器級(jí)(3 的所述比例項(xiàng)包括第一晶體管(40)，其具有控制電極以及第一載流電極和第二載流電極； 第二晶體管(42)，其具有控制電極以及第一載流電極和第二載流電極，所述第一晶體管00)和第二晶體管0 的所述控制電極耦合到一起，且所述第一晶體管GO)和第二晶體管0 的所述第一載流電極耦合到一起；第三晶體管(44)，其具有控制電極以及第一載流電極和第二載流電極，所述第三晶體管G4)的所述第一載流電極耦合到所述第一晶體管GO)的所述第二載流電極；第四晶體管(46)，其具有控制電極以及第一載流電極和第二載流電極，所述第三晶體管G4)和第四06)晶體管的所述控制電極耦合到一起，且所述第三晶體管G4)和第四晶體管G6)的所述第二載流電極耦合到一起；以及阻抗(48)，其耦合在所述第二晶體管0 的所述第二載流電極和所述第四晶體管 (46)的所述第一載流電極之間。
5.如權(quán)利要求1所述的溫度傳感器，其中所述緩沖器級(jí)(18)包括具有第一輸入端子 (20)和第二輸入端子以及輸出端子0 的第一放大器(62)，所述第一放大器(62) 的所述第一輸入端子00)耦合到所述電流發(fā)生器模塊(1 的所述第二輸出端子(16)，且所述第二輸出端子耦合到所述第一放大器(6 的所述輸出端子02)。
6.一種溫度傳感器(10)，包括基極-發(fā)射極電壓差發(fā)生器電路(51)，其具有第一節(jié)點(diǎn)(5 和第二節(jié)點(diǎn)(54)； 電流鏡(57)，其具有被耦合成分別傳輸?shù)谝浑娏?I1)、第二電流(I2)和第三電流(I3)的第一輸出端子、第二輸出端子和第三輸出端子，且其中所述第一電流(I1)和所述第二電流(I2)實(shí)質(zhì)上相等，且所述第三電流(I3)與所述第一電流(I1)和所述第二電流(I2)不同； 第一放大器(50)，其具有反相輸入端子、非反相輸入端子和輸出端子，所述反相輸入端子耦合到所述第一節(jié)點(diǎn)(52)，且所述非反相輸入端子耦合到所述第二節(jié)點(diǎn)(M)，其中補(bǔ)充絕對(duì)溫度的電壓出現(xiàn)在所述第一節(jié)點(diǎn)(52)；第一阻抗(48)，其耦合到所述第二節(jié)點(diǎn)(M)，其中所述第二電流(I2)流經(jīng)所述第一阻抗(48)，且其中所述第二電流(I2)與絕對(duì)溫度成比例；以及輸出級(jí)(34)，其包括第一晶體管(56)，其具有控制電極以及第一電流傳導(dǎo)電極和第二電流傳導(dǎo)電極，所述控制電極耦合到所述第一放大器(50)的所述輸出端子，且所述第一電流傳導(dǎo)電極用作所述第三輸出端子；第二阻抗(58)，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子在第三節(jié)點(diǎn)(60)耦合到所述第一晶體管(56)的所述第一電流傳導(dǎo)電極。
7.如權(quán)利要求6所述的溫度傳感器(10)，還包括第二放大器(62)，其具有反相輸入端子、非反相輸入端子和輸出端子，所述非反相輸入端子耦合到所述第一節(jié)點(diǎn)(5 ；以及第三放大器(64)，其具有反相輸入端子、非反相輸入端子和輸出端子，所述非反相輸入端子耦合到所述第三節(jié)點(diǎn)(60)。
8.一種用于感測溫度的方法，包括通過以下操作產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成比例的第一電壓(Vptat) 使第一節(jié)點(diǎn)(5 和第二節(jié)點(diǎn)(54)實(shí)質(zhì)上保持在第二電壓； 使用所述第二電壓產(chǎn)生通過第一晶體管G8)的第一電流；由所述第一電流產(chǎn)生第二電流(I3)，其中所述第二電流(I3)流向第三節(jié)點(diǎn)(60)且與絕對(duì)溫度成比例；使用所述第二電流(I3)在所述第三節(jié)點(diǎn)(60)處產(chǎn)生所述第一電壓；以及在所述第一節(jié)點(diǎn)(5 處產(chǎn)生第三電壓，其中所述第三電壓補(bǔ)充絕對(duì)溫度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括緩沖所述第三電壓以產(chǎn)生被緩沖的第三電壓 (VQUT62)，其中所述被緩沖的第三電壓(Vot62)補(bǔ)充絕對(duì)溫度。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括由補(bǔ)充絕對(duì)溫度的所述被緩沖的第三電壓 (Vout62)產(chǎn)生輸出電壓，且所述第一電壓(Vptat)與絕對(duì)溫度成比例。
全文摘要
一種溫度傳感器和用于感測溫度的方法。溫度傳感器具有電流發(fā)生器模塊，其產(chǎn)生與在輸出端子處的絕對(duì)溫度成比例的電壓(VPTAT)以及補(bǔ)充在另一個(gè)輸出端子處的絕對(duì)溫度的電壓(VCTAT)。緩沖器級(jí)具有被耦合以接收補(bǔ)充絕對(duì)溫度的電壓的輸入端子。緩沖器級(jí)的輸出端子被耦合到放大器級(jí)的輸入端子。與絕對(duì)溫度成比例的電壓被輸入到放大器級(jí)的另一個(gè)輸入端子。放大器級(jí)從與絕對(duì)溫度成比例且補(bǔ)充絕對(duì)溫度的電壓產(chǎn)生輸出電壓。
文檔編號(hào)G01K7/00GK102169023SQ201110001418
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者C·D·斯坦恩斯庫, H·普魯菲塔 申請(qǐng)人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司