CN113834576A

CN113834576A - 温度传感装置以及温度传感方法

Info

Publication number: CN113834576A
Application number: CN202010511989.8A
Authority: CN
Inventors: 汪鼎豪; 刘湘伟
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd; Global Unichip Corp
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd; Global Unichip Corp
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2021-12-24

Abstract

本发明提供一种温度传感装置以及温度传感方法。温度传感装置包括传感器以及模拟数字转换器。传感器基于第一条件产生对应于环境温度的第一传感结果并基于第二条件产生对应于环境温度的第二传感结果。第二传感结果不同于第一传感结果。模拟数字转换器对第一传感结果以及第二传感结果进行除法运算以获得商值，并依据商值产生对应于环境温度的输出数字码值。

Description

温度传感装置以及温度传感方法

技术领域

本发明涉及一种温度传感装置以及温度传感方法，尤其涉及一种具有高精准度的温度传感装置以及温度传感方法。

背景技术

一般来说，温度传感装置会通过传感器来传感温度，藉以产生对应于温度的单一个模拟信号。并通过转换电路将此模拟信号转换为一数字信号。然而，上述的方式会有因为转换电路所接收的电源的电压变动而使数字信号产生偏移。为了改善数字信号的偏移，前案I460409中揭示了通过温度校正单元来排除电压变动。然而，上述的校正方法会提高温度传感装置的设计复杂度。

发明内容

本发明提供一种温度传感装置以及温度传感方法，可提高温度传感装置的传感精准度，并降低温度传感的复杂度。

本发明的温度传感装置包括传感器以及模拟数字转换器。传感器经配置以基于第一条件产生对应于环境温度的第一传感结果，并基于不同于第一条件的第二条件产生对应于环境温度的第二传感结果。第一传感结果不同于第二传感结果模拟数字转换器耦接于传感器。模拟数字转换器经配置以对第一传感结果以及第二传感结果进行除法运算以获得商值，并依据商值产生对应于环境温度的输出数字码值。

本发明的温度传感方法包括：基于第一条件产生对应于环境温度的第一传感结果，基于不同于第一条件的第二条件产生对应于环境温度的第二传感结果，其中第一传感结果不同于第二传感结果；以及对第一传感结果以及第二传感结果进行除法运算以获得商值，并依据商值产生对应于环境温度的输出数字码值。

基于上述，本发明通过传感器反应于环境温度提供第一传感结果以及第二传感结果，由于第一传感结果不同于第二传感结果，因此本发明可通过除法运算来消除电源的电压变动，藉以提高对应于温度的传感精准度。此外，本发明不需要额外的温度校正手段。因此温度传感的复杂度可以被降低。

附图说明

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1是依据本发明第一实施例所示出的温度传感装置的装置示意图；

图2是依据本发明第二实施例所示出的温度传感装置的装置示意图；

图3是依据本发明一实施例所示出的传感器的电路示意图；

图4是依据本发明一实施例所示出的第一传感结果、第二传感结果以及顶参考电压值的温度趋势图；

图5是依据本发明第三实施例所示出的温度传感装置的装置示意图；

图6是依据本发明一实施例所示出的商值与温度值的关系图；

图7是依据本发明一实施例所示出的输出数字码值与温度值的关系图；

图8是依据本发明一实施例所示出的温度传感方法流程图。

附图标号说明

100、200、300:温度传感装置；

110:传感器；

120、220、320:模拟数字转换器；

221:运算单元；

322:查找表；

D1:第一数字码值；

D2:第二数字码值；

DOUT:输出数字码值；

IS1:第一电流源；

IS2:第二电流源；

Q:商值；

Q1:第一双极晶体管；

Q2_1～Q2_m:第二双极晶体管；

S110、S120:步骤；

T1、T2、T3:环境温度；

VREFP:顶参考电压值；

VSEN1:第一传感结果；

VSEN2:第二传感结果；

ΔV:顶参考电压值的变动。

具体实施方式

本发明的部分实施例接下来将会配合附图来详细描述，以下的描述所引用的组件符号，当不同附图出现相同的组件符号将视为相同或相似的组件。这些实施例只是本发明的一部分，并未揭示所有本发明的可实施方式。更确切的说，这些实施例只是本发明的专利申请范围中的装置与方法的范例。

请参考图1，图1是依据本发明第一实施例所示出的温度传感装置的装置示意图。在本实施例中，温度传感装置100包括传感器110以及模拟数字转换器120。传感器110基于第一条件产生对应于环境温度提供第一传感结果VSEN1。传感器110还基于第二条件产生对应于环境温度提供第二传感结果VSEN2。在本实施例中，第一传感结果VSEN1以及第二传感结果VSEN2分别是模拟电压信号，本发明并不以此为限。在一些实施例中，第一传感结果VSEN1以及第二传感结果VSEN2分别是模拟电流信号。在本实施例中，第一条件与第二条件并不相同，因此第一传感结果不同于第二传感结果。举例来说，第一条件以及第二条件分别是传感器110的第一传感灵敏度以及第二传感灵敏度。传感器110的第一传感灵敏度被设计为不同于第二传感灵敏度。举例来说，第一条件的传感灵敏度会被设计为高于第二条件的传感灵敏度。另举例来说，第一条件的传感灵敏度会被设计为低于第二条件的传感灵敏度。模拟数字转换器120耦接于传感器110以接收第一传感结果VSEN1以及第二传感结果VSEN2。模拟数字转换器120对第一传感结果VSEN1以及第二传感结果VSEN2进行除法运算以获得商值Q，并依据商值Q产生对应于环境温度的输出数字码值DOUT。

在此值得一提的是，温度传感装置100是通过传感器110基于第一条件产生对应于环境温度提供第一传感结果VSEN1，并基于第二条件产生对应于环境温度提供第二传感结果VSEN2。由于第一条件不同于第二条件，因此本发明可通过除法运算来消除电源的电压变动以产生对应于环境温度的输出数字码值DOUT。因此温度传感装置100的传感精准度可以被提高。此外，温度传感装置100不需要额外的温度校正手段。因此，温度传感装置100的设计复杂度可以被降低。

请参考图2，图2是依据本发明第二实施例所示出的温度传感装置的装置示意图。在本实施例中，温度传感装置200包括传感器110以及模拟数字转换器220。模拟数字转换器220包括运算单元221。运算单元221耦接于传感器110。运算单元221会接收来自于传感器110的第一传感结果VSEN1以及第二传感结果VSEN2。运算单元221将第一传感结果VSEN1转换为第一数字码值D1，并将第二传感结果VSEN2转换为第二数字码值D2。运算单元221对第一数字码值D1以及第二数字码值D2进行除法运算以获得商值Q。

在本实施例中，运算单元221可基于模拟数字转换器220内部的顶参考电压值(如，VREFP)将第一传感结果VSEN1转换为第一数字码值D1，并将第二传感结果VSEN2转换为第二数字码值D2。举例来说，运算单元221可依据公式(1)将第一传感结果VSEN1转换为第一数字码值D1，并依据公式(2)将第二传感结果VSEN2转换为第二数字码值D2。

D1＝VSEN1/(VREFP±ΔV)×2ⁿ………………………公式(1)

D2＝VSEN2/(VREFP±ΔV)×2ⁿ………………………公式(2)

其中n等于模拟数字转换器220的位数。应注意的是，顶参考电压值可能会受到环境温度或制程的差异而产生变动(即，±ΔV)，进而使第一数字码值D1、第二数字码值D2发生偏移。因此，运算单元221会依据公式(3)对第一数字码值D1以及第二数字码值D2进行除法运算，藉以获得商值Q。在公式(3)中，商值Q是将第一数字码值D1除以第二数字码值D2的运算结果。在一些实施例中，商值Q可以是将第二数字码值D2除以第一数字码值D1的运算结果。

在此值得一提的是，通过公式(3)的运算，运算单元221能够移除顶参考电压值以及顶参考电压值的变动(即，VREFP±ΔV)。如此一来，温度传感装置200的传感精准度能够被提高。此外，温度传感装置200不需要额外的温度校正手段。因此温度传感装置200的设计复杂度可以被降低。

请同时参考图1以及图3，图3是依据本发明一实施例所示出的传感器的电路示意图。在本实施例中，传感器110包括第一电流源IS1以及第一双极晶体管Q1。第一双极晶体管Q1的基极耦接至第一双极晶体管Q1的集极、模拟数字转换器120以及第一电流源IS1。第一双极晶体管Q1的射极耦接至参考低电位(例如是接地)。在本实施例中，传感器110可通过第一电流源IS1以及第一双极晶体管Q1的配置提供第一条件。第一双极晶体管Q1的基极以及集极共同被作为传感器110的第一输出端。传感器110经由第一输出端将第一传感结果VSEN1提供至模拟数字转换器120。本实施例的第一双极晶体管Q1是由NPN双极晶体管来实现。

在一些实施例中，第一双极晶体管Q1可以被二极管所取代。举例来说，二极管的阳极耦接到第一电流源IS1以及模拟数字转换器120。二极管的阳极被作为传感器110的第一输出端。二极管的阴极耦接至参考低电位。

在一些实施例中，第一双极晶体管Q1可以被任意形式N型场效晶体管所取代。举例来说，N型场效晶体管的栅极耦接至N型场效晶体管的漏极、第一电流源IS1以及模拟数字转换器120。N型场效晶体管的栅极以及漏极共同被作为传感器110的第一输出端。N型场效晶体管的源极耦接至参考低电位。

在本实施例中，传感器110还包括第二电流源IS2以及第二双极晶体管Q2_1～Q2_m。第二双极晶体管Q2_1的基极耦接至第二双极晶体管Q2_1的集极、模拟数字转换器120以及第二电流源IS2。第二双极晶体管Q2_1的射极耦接至参考低电位。第二双极晶体管Q2_2的基极耦接至第二双极晶体管Q2_2的集极、模拟数字转换器120以及第二电流源IS2。第二双极晶体管Q2_2的射极耦接至参考低电位，依此类推。也就是说，第二双极晶体管Q2_1～Q2_m分别是以二极管连接(diode-connected)方式被连接，并且彼此相互并联。在本实施例中，传感器110可通过第二电流源IS2以及第二双极晶体管Q2_1～Q2_m的配置提供不同于第一条件的第二条件。

第二双极晶体管Q2_1～Q2_m的基极以及集极共同被作为传感器110的第二输出端。传感器110经由第二输出端将第二传感结果VSEN2提供至模拟数字转换器120。本实施例的第二双极晶体管Q2_1～Q2_m分别是由NPN双极晶体管来实现。

在一些实施例中，第二双极晶体管Q2_1～Q2_m分别可以被二极管所取代。举例来说，多个二极管的阳极共同耦接到第一电流源IS1以及模拟数字转换器120。多个二极管的阳极共同被作为传感器110的第二输出端。多个二极管的阴极共同耦接至参考低电位。

在一些实施例中，第二双极晶体管Q2_1～Q2_m分别可以被任意形式N型场效晶体管所取代。举例来说，多个N型场效晶体管的栅极分别耦接至多个N型场效晶体管的漏极、第一电流源IS1以及模拟数字转换器120。多个N型场效晶体管的栅极以及漏极共同被作为传感器110的第二输出端。多个N型场效晶体管的源极耦接至参考低电位。

为了便于说明，本实施例的第一双极晶体管Q1的数量以一个为例。本发明的第一双极晶体管的数量可以是多个，并且第一双极晶体管的数量少于第二双极晶体管的数量。本发明的第一双极晶体管的数量并不以本实施例为限。

请参考同时参考图2、图3以及图4，图4是依据本发明一实施例所示出的第一传感结果、第二传感结果以及顶参考电压值的温度趋势图。模拟数字转换器220的内部的顶参考电压值VREFP可能会受到环境温度或制程的差异而产生变动(即，±ΔV)。基于图3的设计，第一传感结果VSEN1以及第二传感结果VSEN2会随着温度的上升而下降。此外，第一传感结果VSEN1的变化量大于第二传感结果VSEN2的变化量(本发明并不以此为限)。由此可知，基于图3的设计，第一传感结果VSEN1的变化量会大于第二传感结果VSEN2的变化量。举例来说，在环境温度T1，第二传感结果VSEN2与第一传感结果VSEN1之间会产生对应于环境温度T1的差异。在环境温度T2，第二传感结果VSEN2与第一传感结果VSEN1之间会产生对应于环境温度T2的差异。在环境温度T3，第二传感结果VSEN2与第一传感结果VSEN1之间会产生对应于环境温度T3的差异。对应于环境温度T1、T2、T3的差异彼此不相同(如，对应于环境温度T3的差异>对应于环境温度T2的差异>对应于环境温度T1的差异)。因此，模拟数字转换器220的运算单元221能够就由除法运算来获得关联于环境温度T1、T2、T3的商值Q。由于商值Q已经移除顶参考电压值VREFP以及顶参考电压值VREFP的变动(即，VREFP±ΔV)，因此商值Q并不会受到顶参考电压值VREFP的影响而发生偏移。

在本实施例中，第一电流源IS1所提供的电流值可以大于第二电流源IS2所提供的电流值。如此一来，第一传感结果VSEN1的变化量会更大于第二传感结果VSEN2的变化量，藉以提高温度传感装置200对环境温度T1、T2、T3的识别效果。

请同时参考图5、图6以及图7，图5是依据本发明第三实施例所示出的温度传感装置的装置示意图。图6是依据本发明一实施例所示出的商值与温度值的关系图。图7是依据本发明一实施例所示出的输出数字码值与温度值的关系图。在本实施例中，温度传感装置300包括传感器110以及模拟数字转换器320。模拟数字转换器320包括查找表322。在本实施例中，第一条件与第二条件并不相同，使得第一传感结果VSEN1的变化量会大于第二传感结果VSEN2的变化量。因此，模拟数字转换器320将第一传感结果VSEN1除以第二传感结果VSEN2以产生商值Q。因此，在图6所示的关系图中，温度(即，环境温度)越高，商值Q则越低，然本发明并不以此为限。在一些实施例中，模拟数字转换器320可将第二传感结果VSEN2除以第一传感结果VSEN1以产生商值Q。因此，在图6所示的关系图中，温度(即，环境温度)越高，商值Q则越高。

模拟数字转换器320可依据商值Q以及查找表322产生输出数字码值DOUT。在本实施例中，商值Q与温度值之间的关系(如，图6)以及温度值与输出数字码值DOUT的关系(如，图7)可作为查找表322。也就是说，查找表322纪录了对应于商值Q的温度值，也纪录了对应于温度值的输出数字码值DOUT。因此，模拟数字转换器320可依据商值Q以及查找表322产生温度值，并依据温度值以及查找表322产生输出数字码值DOUT。

为了确保图6所呈现的趋势为单调性(Monotonic)以及提高传感分辨率，模拟数字转换器320的位数要大于12位。举例来说，模拟数字转换器320可以输出16位的输出数字码值DOUT。

在一些实施例中，模拟数字转换器320还包括运算单元(第二实施例的运算单元221)。在此些实施例中，模拟数字转换器320能够通过前述的公式(1)～公式(3)获得商值Q。

请同时参考图1以及图8，图8是依据本发明一实施例所示出的温度传感方法流程图。在步骤S110中，基于第一条件产生对应于环境温度提供第一传感结果VSEN1，并基于第二条件产生对应于环境温度提供第二传感结果VSEN2。在步骤S120中，对第一传感结果VSEN1以及第二传感结果VSEN2进行除法运算以获得商值Q，并依据商值Q产生对应于环境温度的输出数字码值DOUT。步骤S120可以是由模拟数字转换器120来执行。应能理解的是，图8的温度传感方法流程也能够适用于第二实施例的温度传感装置200以及第三实施例的温度传感装置300。步骤S110、S120的实施细节可以由图1至图7中的多个实施例中获致足够的教示，因此恕不在此重述。

综上所述，本发明的温度传感装置以及温度传感方法是通过传感器基于第一条件产生对应于环境温度的第一传感结果，并基于第二条件产生对应于环境温度的第二传感结果。由于第一传感结果不同于第二传感结果，本发明可通过除法运算来消除电源的电压变动，藉以提高温度传感的传感精准度。此外，本发明不需要额外的温度校正手段。如此一来，温度传感装置的设计复杂度可以被降低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种温度传感装置，其特征在于，所述温度传感装置包括：

传感器，经配置以基于第一条件产生对应于环境温度的第一传感结果，并基于不同于所述第一条件的第二条件产生对应于所述环境温度的第二传感结果，其中所述第一传感结果不同于所述第二传感结果；以及

模拟数字转换器，耦接于所述传感器，经配置以对所述第一传感结果以及所述第二传感结果进行除法运算以获得商值，并依据所述商值产生对应于所述环境温度的输出数字码值。

2.根据权利要求1所述的温度传感装置，其特征在于，所述模拟数字转换器包括：

运算单元，耦接于所述传感器，经配置以将所述第一传感结果转换为第一数字码值，将所述第二传感结果转换为第二数字码值，并对所述第一数字码值以及所述第二数字码值进行除法运算以获得所述商值。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的温度传感装置，其特征在于，所述模拟数字转换器包括：

查找表，经配置以纪录对应于所述商值的所述输出数字码值，

其中所述模拟数字转换器依据所述商值以及所述查找表产生所述输出数字码值。

4.根据权利要求3所述的温度传感装置，其特征在于，所述模拟数字转换器依据所述商值以及所述查找表产生温度值，并依据所述温度值以及所述查找表产生所述输出数字码值。

5.根据权利要求1所述的温度传感装置，其特征在于：

所述传感器包括：

第一电流源；

第一双极晶体管，所述第一双极晶体管的基极耦接至所述第一双极晶体管的集极、所述模拟数字转换器以及所述第一电流源，所述第一双极晶体管的射极耦接至参考低电位；

第二电流源；以及

彼此并联连接的多个第二双极晶体管，所述多个第二双极晶体管的基极分别耦接至所述多个第二双极晶体管的集极、所述模拟数字转换器以及所述第二电流源，所述多个第二双极晶体管的射极分别耦接至所述参考低电位。

6.根据权利要求5所述的温度传感装置，其特征在于，所述第一电流源所提供的电流值大于所述第二电流源所提供的电流值。

7.根据权利要求1所述的温度传感装置，其特征在于：

所述模拟数字转换器为M位模拟数字转换器，并且

M大于12。

8.一种温度传感方法，其特征在于，所述温度传感方法包括：

基于第一条件产生对应于环境温度的第一传感结果，并基于不同于所述第一条件的第二条件产生对应于所述环境温度的第二传感结果，其中所述第一传感结果不同于所述第二传感结果；以及

对所述第一传感结果以及所述第二传感结果进行除法运算以获得商值，并依据所述商值产生对应于所述环境温度的输出数字码值。

9.根据权利要求8所述的温度传感方法，其特征在于，对所述第一传感结果以及所述第二传感结果进行除法运算以获得所述商值的步骤包括：

将所述第一传感结果转换为第一数字码值，将所述第二传感结果转换为第二数字码值，并对所述第一数字码值以及所述第二数字码值进行除法运算以获得所述商值。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的温度传感方法，其特征在于，依据所述商值产生对应于所述环境温度的所述输出数字码值的步骤包括：

提供用以纪录对应于所述商值的所述输出数字码值的查找表；以及

依据所述商值以及所述查找表产生所述输出数字码值。

11.根据权利要求10所述的温度传感方法，其特征在于，依据所述商值以及所述查找表产生所述输出数字码值的步骤包括：

依据所述商值以及所述查找表产生温度值，并依据所述温度值以及所述查找表产生所述输出数字码值。