TWI325051B - A frequency ratio digitizing temperature sensor, a semi-passive radio frequency identification tag by using the same and a method of generating a linearity-corrected temperature output signal - Google Patents

Description

1325051 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種射頻識別裝置，且尤其是有關於 一種包含一個頻率比數位化的溫度感測器之射頻識別裝 置。 【先前技術】 運作以藉由改變振盪器的頻率來量測溫度的頻率比數 位化的溫度感測器是眾所週知的。更大致來說，此種溫度

感測器係利用頻率比類比至數位轉換器（ADC)來量測一隨 著溫度而變化的輸入信號而被做成。一般而言，頻率比數 位化的溫度感測器係包含兩個振盪器：一個參考振蓋器以 及一個資料振盪器。該參考振盪器係界定其中參考頻率之 固定數目個時脈週期係被用來指出轉換期間的轉換間隔。 該資料振盪器的頻率（資料頻率）係隨著溫度而變化，因而 資料頻率相對於參考頻率的比例係構成該溫度感測器的數 位輸出信號。

在習知的頻率比數位化的溫度感測器中，感測器電路 的各種it件的非理想特徵係導致該數位輸出信號的非線 挫_ S如，在頻率比數位化的溫度感測H中的參考振i || 及貧㈣Μ-般是利用電流至頻率的轉換器轉換器） 二做成的。通過振盪器的傳播延遲係導致數位輸出 率之線性的失真。戽去，扯 被產生以指出溫度量測及/或用作 為參考電流之溫度相依的番4 ㈣ 的電流本身可能呈現非線性特徵。 田/皿度改變時’構成每個振盈器的電阻器及電容器的溫度 6 1325051 係數可能會在振盪器頻率上造成額外的漂移及非線性。 校正或最小化該線性誤差之某些習知技術的解決方式 係造成校正的系統在一般的應用中是較不有用的。例如， 某些溫度的頻率比類比至數位轉換器（ADC)是使用一個參 考振盪器，其中參考頻率是故意隨著溫度而大範圍地改 變。典型地，此類型的頻率比ADC係使用一個頻率隨著 增加的溫度而減小之參考振盪器，而資料頻率係維持相對 固定的。此係產生隨著溫度增加而顯著地增加的轉換時 間，當所要的應用是以固定不變的間隔取得的樣本的輸出 串流時’此可能是不便的。 溫度的數位化頻率比ADC也已經利用一個溫度補償的 晶體振盪器作為該參考頻率產生器而被設計及製造出。然 而，該晶體振盪器是一個外部的構件，並且使用一個晶體 振盪器係增加實施該頻率比ADC所需的成本與電路面積。 在美國專利號6’183，131中，一個數位化溫度感測器 係藉由將ADC輸入（一 PTAT信號）的一小部份加到該（幾 乎固定的）ADC參考信號來實施線性校正。以此種方式， 弓狀（bow)誤差之幾乎理想的校正係在這些數位化的溫度感 測器中觀察到，尤其是那些相關於基極至射極的電壓之溫 度相依的特性之誤差。然而，在該‘ 13丨號專利中所述的線 性校正僅適用於一種利用具有單一輸入及單一參考埠的 ADC之數位溫度感測器。其一部份並不適用於頻率比 ADC，因為頻率比ADC是使用四個不同的輸入埠，並且用 於k號輸入及參考埠的線性校正並非直接可適用的。 7 1325051 射頻識別（RFID)係指自動的識別技術，其使用無線電 波以自動地識別人員或物件。RFID係包含各種的識別方 法’其中最常見的方法是儲存一個識別一人員或物件的序 號以及可能的其它資訊在一個微晶片上，該微晶片係附接 到一個天線。該微晶片與天線一起被稱為一個RFID應答 器或疋一個RFID標籤。該石夕晶片及天線結合來運作，以 使得該RFID標籤能夠接收及響應於來自一個RFID讀取器 或收發機之射頻的詢問《譬如，該天線係使得該晶片能夠 傳送識別資訊至RFID讀取器。該讀取器係轉換從該RFID 標籤反射回來的無線電波成為數位資訊，該數位資訊接著 可被傳遞至能夠利用該識別資訊的電腦。 RFID “籤可以是被動式、半被動式（亦以半主動式著 稱）、或疋主動式。被動式RFID標籤不需要内部的電源， 而疋從收發機或讀取器所產生的電磁場汲取電能，並且使 用該電能來供應微晶片的電路^來自RFID收發機或讀取 器的電磁波係在RFID標籤的天線中感應出一電流。該晶 片接著調變該些波，該天線將其傳回到收發機。該收發機 於是轉換該些新的波成為數位資料。 主動式RFID標籤需要一個内部的電源（例如，電池）， 該電源係被用來供電給微晶片並且產生向外的信號。主動 式RFID標籤有時被稱為信標，因為其能夠廣播其自已的 信號。 半被動式rFID標籤係類似於被動式標籤除了—個 小電池被用來供電給微晶片的電路之外。該RFID標籤仍 8 1325051 然是藉由從讀取器或收發機没取電能來通訊。該電池係容 許標籤的微晶片不斷地被供電’此係免除設計該天線以從 進入的信號收集電能之需求。因此，天線可針對於背向散 射的信號而被最佳化。相較於被動式標籤，半被動式RFID 標籤在響應上較快速’因此在讀取比例上較強。

RFID技術的一個常見的應用是用於追蹤透過一供應鏈 的貨物流動。再者，RFID標籤已經結合偵測及記錄溫度、 移動及甚至是輻射的感測器。以此種方式，被用來追蹤透 過供應鏈的物品流動之相同的RFID標籤可運作以警告工 作人員該貨物是否未儲存在正確溫度、或是否有人已經注 入一種生物製劑到貨物中。 在RFID標籤中的微晶片可被讀寫、唯讀或是“寫一次、 &取夕人（W〇RM)。利用讀寫的晶片’資訊可被加到該標 X或是現有的資訊（除了識別序號之外）可被覆寫。尺⑽ 籤可包3額外的儲存區塊用於儲存由該標籤本身所收集

-種具有溫度記錄功能之改良的RFm標籤是所要的 【發明内容】 根據本發㈣原理，—種包含—個參考振1器以及一 貝枓振t器之頻率比數位化的溫度感測器係做成線性校 士 /、係藉由將-校正電流加到一與溫度無關的參考電 =並且利用該校正後的參考電流之㈣的複 參考振盪器電流輪入以及一個在資 ：这 電阻益該電阻器係轉換該電流成為一校正後的參 9 丄 考電壓^該參考電壓係與參考振盈器的輸出處之頻率成反 2該校正電流是"成比例於絕對溫度的電流（-PTAT電 机）’並且疋藉由選擇從多個溫度感測的電流源施加至該輸 ^產生電路的PTAT電流之—個複製的小數部份&而獲 仔由於利用該校正後的參考電流來驅動參考振盈器，所 以該溫度感測器的參考頻率係故意地被做成在溫度方面呈 現誤差。由於利用該校正後的參考電流以在資料振盘器產 生參考電壓’ ~以在資料振盡器的輸出處之頻率亦故意地 被引發呈現逆頻率誤差。這些頻率誤差的本質具有抵消數 位溫度輸出在溫度上的線性誤差之功效。 本發明的頻率比數位化的溫度感測器係實現在習知的 頻率比溫度感測H中所無法達成的線性誤差校正。更明確 地說，當該預設的ΡΤΑΤ電流量加到該參考電流時，與該 溫度相依的電》、電流至頻率的轉換器中的時間延遲以及 電阻器與電容器之溫度相依的特性相關的誤差來源係同時 被抵消。 根據本發明的另一特點，一種射頻識別（RFID)標籤係 包含該頻率比數位化的溫度感測器以形成一個rfid溫度 記錄器。該RFID標籤可被程式化以依據命令或是在指定 的間隔下記錄溫度資料。在一個實施例中，該RFID標籤 是半被動式，其中該溫度感測器及控制電路是藉由電池供 電的。在另一個實施例中，本發明的頻率比數位化的溫度 感測裔係被配置為一個雙功能的溫度/電壓感測器其中該 溫度感測器電路係被用來交替地量測電池電壓及周圍溫 10 U25051 度在另實施例中，該3蟑的線性校正方法係在該頻率 比數位化的溫度感測器中被實施，因而—穩定的參考時脈 係藉由該溫度感測器而被產生。該穩定的參考時脈係被該 RFID標籤的控制電路使用於時脈校準，藉此免除對於外部 的曰曰體振盪n之需求包含本發明的頻率比數位化的溫度 感測器之RFID標籤將會在以下更詳細加以描述。 叙而5 ，一種頻率比數位化的溫度感測器係包含一 對實知該參考振ill及資料振i器的電流至頻率的（Μ)轉 換°亥對I/F轉換器（被稱為一個資料Ι/F轉換器以及一 個參考Μ #換器）係分職收兩個輸入信號（一電流以及一 電壓）並且產生-頻率輸出信號。因此，該對轉換器係 利用四個輸人信號來產生該兩個頻率輸出信號用於計算 被量測的溫度。更明减岫％ ·欠，丨 文月確地說，该資料ί/F轉換器係接收一 溫度相依的輸入電流|V ^ 电，n idata以及一大致與溫度無關的參考 電壓Vdata。該溫度相依的輸入電流idata*藉由在一對響 應於/Jm度刺激的雙載子電晶體的基極至射極的vbe電壓 之間的差值所產生的PTAT電流IPTAT之-複製。該參考 I/F轉換器係接收—大致與溫度無關的參考電流Iref以及 一大致與溫度無關的參考電壓Vref。 把據本發明#項特點’本發明的頻率比數位化的溫 度感測器係實施-# 2埠的線性校正方法。在該2蜂的線 性权正方法中，該# I/F轉換器的四個輸人信號中的兩個 輸入信號係藉由該校正電流來加以校正。明確地說，一校 正後的參考電流係藉由將一小部份的溫度相依# pm電 11 ::到_第一階溫度穩定的參考電流而被形成。該校正後 ，參考電流之相同的複製係同時作為該參考電流而施加至 違參考I/F轉換器、以及透過—個電阻器作為該參考㈣ Vdata以用於該資料Ι/F轉換器。

該校正㈣參考電流的兩個相同的複製之同時的施加 至該資l/F轉換器及參考i/F轉換器的輸人信號係修改了 :頻率比類比至數位轉換器(ADC)的轉換函數使得第二 h失真破產生在該ADC之内，該第二階失真是具有與利 :雙載子電晶體為主的溫度感測器所產生的溫度相依的電 流：之固有的第二階失真相反的正負1。於是，該數位化 =溫度量測之線性誤差係大為降低。在—個實施例中係獲 侍在數位溫度量測上的至少2〇dB的線性改善。

根據本發明的m本發明的頻率比數位化的溫 度感測ϋ係、實施-冑3蟑的線性校正方法。在該3淳的線 校正方法中’忒_ I/F轉換器的四個輸入信號中的三個 輸入信號係藉由兩個個別的校正電流來加以校正。該溫度 相依的輸人電流Idata是唯—讓它未校正的輸人信號。在 該3埠的隸校正方法巾，以㈣_ 2料祕校正方 法的方式’—第—校正後的參考電流係被施加至該參考Μ 轉換器的參考電流Iref’並域校正後的參考電流的一個 • 王1因隹忑育枓I/F轉換器的Vdata參考電 壁輸入處之電阻器。該3蟀的線性校正方法係涉及藉由將 一小部份的溫度相依的 的參考電流來形成一第 PTAT電流加到一第一階溫度穩定 二校正後的參考電流。被用以形成 12 .^—校正後的參考電流之PTAT電流的部份係不同於被 以形成該第—校正後的參考電流之PTAT電流的部份， 因而該兩個校正後的參考電流具有不同的電流值。該第二 $正後的參考電流係被施加至—個電阻器以產生用於該參 I/F轉換器的參考電壓Vref。以此種方式，作用為該參 考振盪H的參考I/F轉換器的頻率漂移係、被最小化，而同 時溫度的數位溫度量測係如上所述地被線性化。在一個實 _ 例中。亥3埠的線性校正方法係在數位溫度量測中能夠 有20dB的線性改善，而同時保持該參考時脈的頻率穩定 I1 生至0·06%ρ·ρ(峰值到峰值）。 在本發明的頻率比數位化的溫度感測器中，在應用上 要求絕對的正確性時，可以同時施加增益及偏移量的數位 調整，以進一步增進量測的正確性。再者，為了增進本發 明的頻率比數位化的溫度感測器的效能，資料及參考振盪 器可利用在溫度及電源變化上呈現固定的傳播、邏輯及切 鲁 換的時間延遲之總和的I/F轉換器來加以做成。 在一個實施例中，該ΡΤΑΤ電流係乘上校正因素並且 加到參考電机以形成該第一及第二校正後的參考電流， 該第一及第二校正後的參考電流不再是與溫度無關的，而 疋在-25至85〇C上呈現大約丨15%的正斜率。該些校正因 素係數學上藉由解出描繪該數位化的溫度感測器的特性之 方程式或是憑經驗地利用實際的積體電路之量測而被選 出。 本發明之線性校正後的頻率比數位化的溫度感測器係 13 丄丄 於其中該資料頻率係以一種幾乎線性成比例於絕對 -又(PTAT)的方式隨著溫度的增加而增加而該參 係維持固定或相對固定之頻率比數位化的溫度感测器 ^明㈣性校正方法並不可應用於其中該資料頻率並不顯 著地隨著溫度而增加之數位化系統中。 *‘ 本發明之線性校正後的頻率比數位化的溫度感測器係 提供許多優於習知的溫度感測器之優點。首先，在不兩要 使用外部的晶體構件之下，本發明之線性校正後的溫度感 測咨可以提供和利用晶體振盪器的溫度感測器一樣好或是 更好的溫度量測結果。本發明的溫度感測器係因而降低實 施的製造成本及電路面積。再者’當該3痒的線性校正方 法被應用時，本發明的溫度感測器係同時提供一增進穩定 性的參考頻率。該參考頻率可被在該溫度感測器外部之需 要穩定的參考頻率之其它電路所利用。因&，本發明的溫 度感測器消除為了提供此種穩定化的參考頻率而對於額外 的振盪器電路或外部的晶體振盪器之需求。 【實施方式】 圖1是根據本發明的一個實施例之頻率比數位化的溫 度感測器的概要圖。請參照s i，頻率比數位化的溫度感 測器10係從一個溫度感測電路20接收兩個溫度相依的電 流作為其輸入信號。溫度感測電路20可以是、或可以不 是數位化的溫度感測器10的部份。溫度感測電路20之確 切的實施方式對於本發明的實施而言不是重要的，只要兩 個溫度相依的電流（一個是成比例的以及一個是互補的）被 1325051 產生來用於該溫度感測器即可。 在圖1中，溫度感測電路20係被描繪為兩個電流源， 其響應於溫度刺激而在一個節點22上提供一成比例於絕 對溫度的電流IPTAT以及在一個節點24上提供一互補於 絕對溫度的電流ICTAT。在圖1中所示的溫度感測電路2〇 只是象徵性的，因而並非打算代表該溫度感測電路之實際 的結構。一般而言，該兩個溫度相依的電流係利用兩個操 作在不相等的電流密度之雙載子電晶體而被產生。在該兩 個雙載子電晶體的基極至射極的電壓上的差值（AVbe電壓） 是一成比例於絕對溫度的電壓。一 PTAT電流可藉由施加 該AVbe電壓橫跨一個電阻器（例如，電阻器Rp)而從該Avbe 電壓被產生。在另一方面，該等雙載子電晶體中之一的基 極至射極的電壓（Vbe電壓）是一互補於絕對溫度的電壓。 因此，CTAT電流可藉由施加此vbe電壓橫跨一個電阻 器（例如，電阻器RC)而從該Vbe電壓被產生，通常兩個 電壓中之較大者是在具有較高的電流密度之電晶體處。 數位化的溫度感測器1〇係藉由一個輸入產生電路30 以及一個頻率比類比至數位轉換器（ADC)而被形成。輸入 產生電路30係接收該兩個溫度相依的電流IPTAT及 ICTAT，並且產生驅動該頻率比ADC之必要的輸入信號。 在本實施例中，該頻率比ADC係包含一對電流至頻率的（i/F) 轉換器40及50、一對計數器6〇、7〇以及一個減法電路8〇。 忒頻率比ADC係提供一輸出信號ADC〇UT作為數位化的 溫度感測器10的溫度輸出信號。 15

UF轉換器40是該資料ι/p轉換器，用於接收該溫度 相依的輪入電流Idata(節點32)以及一大致與溫度無關的參 考電壓Vdata(節點34)並且產生一具有一指示該輸入電流 的頻率之頻率輸出信號Fdata(節點44)，該輸入電流是一 PTAT電流。I/F轉換器5〇是該參考ι/ρ轉換器，用於接收 一大致與溫度無關的參考電流Iref(節點36)以及一大致與 溫度無關的參考電壓Vref(節點38)並且產生一頻率輸出信 號Fref(即點54)，該頻率輸出信號卜紆是該溫度感測器的 參考頻率。該參考頻率Fref係界定該轉換期間其中該參 考頻率的固疋數目的時脈週期Nc係指出該轉換期間。

根據本發明，輸入產生電路3〇係產生一將被用來產生 該參考電Μ Vdata(節點34)之第—校正後的參考電流、以 及將被用做為該參考電流Iref(節點36)的第一校正後的參 考電流的一個複製。藉由以此種方式施加該第一校正後的 參考電流’在該溫度感測器之最後的溫度輸出信號中的線 性誤差係準確地被校正。再者，根據本發明的另—特點， 輸入產生電路30係產生一將被用來產生該參考電壓 Vref(卽點38)之第二校正後的參考電流，該參考電壓 是：於改善該參考頻率Fref的穩定性。輸入產生電路 的詳細實施方式將會在以下更詳細加以描述。 在數位化的溫度感測H 10 t，該參考„ F 係輕接至參考計數器7G，該參考計數器70是用於計數 =考頻率的時脈週期的一固定的數目Nc。參考計數器7〇 係在一個輸出端子78上產生—指示該計數仏的輸出信號 16 REF-COUNT’該計數Nc係定義該溫度感測器的轉換期間。 參考计數1§ 70係接收一 START—c〇NVERT信號（節點64) 以開始每個轉換週期。當該固定數目的計數Nc已經到達 時，參考計數器70係產生一溢位信號’該溢位信號係作 用為一 CONVERT_DONE信號（節點66)以指出每個轉換週 期的結束。當參考計數器70偵測到一個超過該數目Nc的 計數時，該溢位信號將會被發出以指出該轉換期間的結 束。參考計數器70亦在一個端子72上接收一增益調整輸 入信號，用於數位地調整數位化的溫度感測器1〇的增益。 該增益調整輸入信號係運作以藉由增加或減少計數Nc的 數目來增加或減少該轉換期間，以調整該溫度感測器系統 的增益。 該資料頻率Fdata(節點44)係耦接至資料計數器6〇， 以用於計數在該溫度感測器的一個轉換期間之内，該資料 頻率的時脈週期的數目。資料計數器6〇係在一個輸出端 子68上產生一輸出信號data_c〇unt，以指示在該轉換 期間之内，該資料頻率的計數。資料計數器6〇係接收該 START—CONVERT信號（節點64)以開始每個轉換週期。資 料計數器60亦從該參考計數器7〇接收該c〇nvert_d〇ne k號（節點66)作為該Hait信號。當該c〇NVERT—d〇ne信 號被發出時，在該資料計數器6〇處之計數係被停止。最 後，資料計數器60係在一溫度62上接收一偏移量調整輸 入信號，以用於數位地調整數位化的溫度感測器1〇的偏 移量。 17 1325051 在本實施例中’該DATA_COUNT信號（節點68)以及 REF_COUNT信號（節點78)係耦接至減法電路8〇，其中該 REF一COUNT信號係從該DATA_COUNT信號中減去。在 一個輸出端子82上之最後的ADC〇ut信號係被提供作為 該數位溫度輸出信號，並且可被處理以提供一溫度輸出信 號。用於處理該ADCOUT信號的電路及方法是眾所週知 的’因而並未在本說明中顯示或描述。在一個實施例中， 數位化的溫度感測器1 〇係藉由選擇在o°c是標稱相等的 一參考頻率以及一資料頻率而被正規化。在其中Fdata=Fref 之情形’實際溫度上的任何不精確都可藉由施加適當的數 位值在Offset_AdjUst輸入（節點62)而數位地被校正。以此 種方式，該減法運算將會產生一以攝氏度標稱地指出一個 溫度量測結果之ADCOUT信號。 一般而言，假設偏移量調整值為零，一個頻率比ADc 之數位化的輸出信號係由以下而得： AI>Coul=Nc(^-l) Φ ref ，方程式（1) 其中Nc是固定數目的參考時脈的時脈週期，並且定 義該轉換期間。本發明的頻率比數位化的溫度感測器i 〇 亦可以藉由以上的方程式（1)來加以描述。 若在方程式1中的參考頻率Fref被假設為固定的則 該比例Fdata/Fref可被解讀為超過某個輸入信號值，該輸 出信號ADCOUT的範圍將會是大於零。因此，方程式i所 描述的頻率比ADC的任何正輸出值都對應於超過某個預 設的參考值的輸入信號大小《因此，該ADC係量測在一 18 1325051 預設的正參考值與該輸入值之間的差值。該頻率比ADC 的此項特點在二極體為主的溫度感測ADC中尤其是有用 的，因為該輸入信號除非接近遠低於正常的操作溫度之一 273.15°C，否則不可能到達零。因此，該頻率比adc可藉 由對於對應0。(：的感測溫度之參考值選擇一個標稱值而被 正規化。當藉此正規化時，可以建構出一個頻率比溫度感 測器，其數位輸出信號係以攝氏度標稱地指出溫度。 在本實施例中’數位化的溫度感測器1〇係進一步被正 規化，其係藉由選擇一個Nc值以使得在該溫度感測的電 流源處之l〇C的變化係在該數位輸出ADCOUT處產生8個 LSB(最低有效位元）的變化。以此種方式，在adc〇ut處 之帶正負號的二進位數位數字係利用〇125〇C的一個[SB 的加權而輕易地被解釋為以攝氏度為單位的溫度。 在以上的說明中，該頻率比數位化的溫度感測器中之 振盪器係利用電流至頻率的轉換器（I/F轉換器）而被做成。 在該頻率比數位化的溫度感測器中的振盪器亦可以利用電 壓靈敏的振盪器或是電壓至頻率的轉換器電路（V/F轉換器） 而被做成，而不是利用對於所施加的電流靈敏的振盪器。 由於該溫度感測電路之固有的電源拒斥功能產生溫度相依 的電》il ’所以I/F轉換器的使用大致上是較佳於v/f轉換 器。然而’本發明的線性校正方法亦同樣良好地適用於利 用V/F轉換器拓撲所做成的數位化的溫度感測器，其中在 輸入信號上從一電流信號適當地改變為一電壓信號。頻率 比數位化的溫度感測器可利用V/F轉換器拓撲而被實施， 1325051 只要該資料頻率Fdata隨著溫度而增加並且該參考頻率Fref 是相對固定的，而且亦只要該V/F轉換器被配置成使得其 頻率隨著增加的輸入電壓而增加且隨著増加的參考電壓而 減小即可。 如上所述，圖1的數位化的溫度感測器1〇係使用兩個 電流至頻率的（I/F)轉換器40及50來實施輸入信號至頻率 的功能。一個I/F轉換器的結構及動作係如下所述。以最 一般的用語來說，一個I/F轉換器係包含一個電容器、一 個比較器以及多個切換電路。該I/F轉換器係接收一輸入 電流Iin以及一參考電壓Vref作為輸入信號。該電容器係 藉由該輸入電流Πη而被充電，並且一線性地增加的斜坡 電壓係在該電容器被發展出。在該電容器處之斜坡電壓係 和一參考電壓Vref相比較。當該斜坡電壓超過該參考電壓 Vref時’該比較器輸出信號係被發出，並且該些切換電路 被重置以放電該電容器，藉此重置在該電容器處之電壓至 零’並且重新開始該電壓斜坡的過程。在比較器輸出信號 的每次發出之間的時間係界定I/F轉換器的輸出頻率F〇ut 的週期。對於呈現瞬間的重置之理想系統而言，輸出頻率 Fout可由以下而得： 。CiJW，方程式（2) 其中Iin是以安培為單位的輸入電流，cint是以法拉為 單位的内部積體電容器的電容，並且Vref是在該比較器所 用的參考電壓。 在實際的電路中，在該斜坡電壓超過參考電壓Vref以 20 1325051 及另一斜坡週期開始之間有一段有限的延遲時間。對於用 在比較器的功率量會限制比較速度的低功率應用而言，、此 延遲時間可能會變成大的，且成為輸出頻率信號的線性誤 差之一項重要的因素。對於在電容器的斜坡電壓超過該參 考電壓以及下一個斜坡週期開始之間呈現一段延遲時間t 的Ι/F轉換器/而言，該輸出頻率係由以下而得： d

F⑽ ~ r V (于+ td) ίη ，方程式（3)

延遲時間td的存在係影響該I/F轉換函數的偏移量及 增益，但是這些線性誤差在典型的系統中是輕易可被校 正。遺憾的是，在該延遲時間是總週期的一較大的部份的 情形中，該延遲時間的存在亦使得輸出頻率在高頻處增加 更為緩慢，因此在Iin與Fout之間的轉換函數中造成一線 性誤差。由td所造成的線性誤差大小係隨著該比 ^ Lramp 的值增加而增加，其中tramp是該斜坡電壓的時間週期。該 td/tramp比例以及該線性誤差可藉由增加該時間此需要 一較低的輸入電流Iin、或一較大的電容Cint或是一較大 的參考電壓Vref)或是藉由減少該延遲時間％而被最小化。 圖2疋描繪在溫度量測上由於通過一個電流至頻率的 轉換器之傳播延遲所造成之弓狀線性誤差之圖。在本例子 中’該斜坡時間tramp係被假設為2μ5。圖2係描繪沒有延 遲td=0(理想狀況）、以及有一 4〇ns延遲以及一 80ns延遲 的例子之線性誤差。如同從該圖可觀察到的，當延遲時間 是8〇ns時，在輸出頻率上的〇15%(此大約是ι/667)ρρ的 21 線性誤差係被觀察到。一個具有丨丨位元的線性需求的系 統需要一個小於丨/(2^) = 0.049%的峰值到峰值線性誤差， 此大約是圖2中所觀察到的非線性的三分之一。請注意的 疋，该引發的線性誤差是一個凸面‘‘弓狀，，的曲線。 對於延遲時間td的加倍，在圖2中的線性誤差量大約 也加倍。為了建構一個具有受到良好控制的線性之系統， 設計I/F轉換器以使得延遲時間是固定的、或是非常接近 固定的是必要的，以保持I/F轉換器的線性誤差為相當固 定的，因此是藉由一種固定的線性校正方法來校正的。因 此，根據本發明的一項特點，該數位化的溫度感測器較佳 疋利用一個最小化在通過I/F轉換器的延遲時間％上的變 化之I/F轉換器、較佳是藉由最小化延遲時間的本身來做 成。 由I/F轉換器的延遲時間、所造成的“弓狀，，的線性誤 差將會藉由本身而傾向線性化一個呈現凹面的“碗狀，，線性 块差的I/F電路，並且將會在以下顯示是有助於溫度感測 态系統的線性化。一般而言，本發明的線性校正方法並不 嘗试獲得由於延遲時間td所造成的弓狀線性誤差之顯著的 線性校正’儘管該弓狀誤差的存在確實降低在該數位化的 溫度感測器系統内所需的校正量。因&，在設計該數位化 的溫度感測器中，該參數td並未為了獲得最大的線性校正 而被改變。而是，本發明的線性校正方法採用一項嘗試以 最小化延遲時間td至㈣、溫度及製程上的延遲時間^中 的任何變化是電廢斜坡時間、之—個可忽略的部份^範 22 1325051 圍接著’本發明的線性校正方法可被應用，以在時間、 溫度及電路處理上產生最佳的線性校正。 。月主意的是’該時間延遲項的存在亦影響Ι/F轉換器 的輸出頻率的斜率及偏移量。然而，斜率及偏移量的誤差 可以在數位域中藉由偏移量及增益的調整參數的使用而輕 易被校正。 圖3是描繪由圖！的溫度感測電路2〇所產生之溫度相 依的電流的線性誤差之圖。如上所述，溫度感測電路2〇 係藉由兩個操作在不同的電流密度之雙載子電晶體的使用 而產生一 PTAT電流IPTAT以及一 CTAT電流ICTAT。眾 所週知的二極體方程式係指出雙載子電晶體的基極至射極 的電壓Vbe係隨著溫度而線性地稍微減小，並且在兩個不 同的電流密度之二極體的基極至射極的電壓之間的差

值係隨著施加的溫度而以更為線性的方式增加。該pTAT 及CTAT電流係被組合以產生一與第一階溫度無關的參考 電流Inpo。 如同在圖3中所示，當該ρτΑΤ及CTAT電流與導致 第階斜率誤差抵消的加權組合時，因為該CTAT電流成 分優勢的弓狀，所產生的“零溫度係數，，參考電流Inp〇仍然 呈現線性誤差。如同在圖3中所示的此線性誤差大小是 0.35%p-p，此大約是大於一個所關注的溫度感測器系統所 要的最壞情況的線性誤差7倍。該數位化的溫度感測器之 與溫度無關的參考電流Inpo在溫度上的非線性特徵是在該 頻率比數位化的溫度感測器内之最重要的線性劣化。 23 1325051

圖4是根據本發明的一個實施例，在圖！的頻率比數 位化的溫度感測器中㈣3埠的線性校正方法的—個輸入 產生電路的概要圖。在圖4中，輸入產生電路⑽係包含 一對線性IDAC U0、120,其中數位數字Kp—ADjus丁以 及KV_ADJUST係被施加以設定pTA丁電流成分的大小。 輸入產生電路100係提供一對校正後的參考電流以線性化 頻率比數位化的溫度感測H 1G㈣位輸出信號，並且提 供一穩定化的參考頻率。 本發明的輸入產生料100之獨特的特點是參考電壓 及參考電流並非從一帶隙電壓產生。而是，一參考電流係 被產生且橫跨一個電阻器來施加，以形成該參考電壓，其 中該電阻器的電阻可能隨著溫度呈現顯著的變化。本發明 的線性化方法的一個顯著的特點是使用相同的參考電流之 相同的複製在參考I/F轉換器的電流輸入處，並且做成用 於該資料I/F轉換器的參考電壓。 請參照® 4’冑入產生電& 1〇〇係從該溫度感測電路 接收一 PTAT電流IPTAT(節點22)以及一 ctat電流 ICTAT(節點24)。電流IPTAT係藉由一個緩衝器μ被鏡 射為-電A Ip，並且在-個輸出節點132上被提供作為該 溫度相依的輸人電·流Idata以用於在數位化的溫度感測器 1〇(圖1)中之資料I/F轉換器40。 輸入產生電路1〇〇係包含一個第一加總電路以從該電 流IPTAT及iCTAT之加權的總和產生一與第一階溫度無 關的電流Inpoe明確地說，電流IPTAT係耦接至一個其中 24 1325051 一電流乘法因數Κηρ被施加至該pTAT電流的緩衝器ι〇2， 並且電流ICTAT係耦接至一個其中一電流乘法因數— 被施加至該CTAT電流的緩衝器1〇4。由緩衝器ι〇2及ι〇4 所產生的電流係藉由一個加總器！ 〇6來加總，以在一個節 點108上產生該Inp〇電流。該Inp〇電流是_ ρτΑτ電流 成刀以及CTAT電流成分的組合，其在溫度上是標稱穩 定的。

在輸入產生電路1〇〇中，一個資料線性IDac ιι〇係 被用來藉由㈣PTAT電流之-個小的數位可程式化的部 份加到該Inpo電流以產生一第—校正後的參考電流。明確 地說，藉由一個緩衝器144鏡射為電流ΙρτΑτι的電流 ΙΡΤΑΤ係耦接至資料線性IDAC u〇中的一個緩衝器。 緩衝器114係施加一電流乘法因數Kp作為該校正因數至 電流ΙΡΤΑΤΪ，以產生該ΡΤΑΤ電流的—個部份做為該校正 電流。來自緩衝器"4 @ ΡΤΑΤ電流的部份係藉由一個加 總器116而被加到藉由一個緩衝器U2鏡射的電流ΐηρ〇, 以在一個節點1 18上產生一輸出電流Inj。電流In i主 要是該電流Inp〇’但是該小部份的PTAT電流的加入-係使 得該電流In_l不完全與溫度無關。事實上，電流化」係 被做成稍微是PTAT，而不是溫度穩定的，並且電流 的此種本質係被利用來校正由該溫度感測器電路的i/f轉 換器中之時間延遲所造成的線性誤差。 該第一校正後的參考電流Inj係藉由一個緩衝器ιΐ9 鏡射為-電流In，並且在一個輸出節點136上被提供以被 25 1325051 用作為在數位化的溫度感測器10(圖1)中的參考I/F轉換器 50的參考電流Iref。該第一校正後的參考電流In」的一個 複製亦被施加至一個電阻器Rdata，纟中橫跨該電阻器的 電壓降是一參考電i Vd。參考電壓vd係在一個輸出節點 132上被提供作為在數位化的溫度感測器1〇(圖1)中的資 料I/F轉換器40的參考電壓vdata。以此種方式，該第一 校正後的參考電流Inj之相同的複製係被施加作為用於該 頻率比數位化的溫度感測器之參考振盪器的參考電流以及 作為用於έ玄資料振堡器的參考電壓。 尤其，本發明的輸入產生電路1〇〇不同於習知的頻率 比溫度感測器電路，其中用於該兩個振盈器的參考電塵 Vdata及Vref是從一個電壓參考電路產生之相同的電壓。 根據本發明，用於該資料振盪器的參考電壓以及用 於該參考振盪器的參考電壓Vref係個別被產生，並且因此 該兩個電壓是彼此解輕合的。該參考電壓Vdata係被做成 為具有一個呈現隨著溫度而小幅增加的溫度相依的變化， 而該參考電壓Vref係呈現隨著溫度而不同且較大的增加。 在輸入產生電路100十，一個參考線性IDAC 係 被用來藉由將該PTAT電流的一小部份加到該Inp〇電流以 產生一第二校正後的參考電流。被用以形成該第二校正後 的參考電流之PTAT電流的部份係藉由使用不同的校正因 素或電法因|’而不同於被用以形成該第一校正後的 參考電之部份。明確地說，藉由一個緩衝器i 42鏡射為 電流IPTAT2的電流IPTAT係耦接至參考線性mAc 12〇 26 1325051

中的一個緩衝器122❶緩衝器122係施加一電流乘法因數 Kv至電流IPTAT2以產生一部份的pTAT電流作為另一校 正電流。來自緩衝器122的PTAT電流之部份係藉由一個 加總器126而被加到藉由一個緩衝器124鏡射的電流 Inpo,以在一個節點128上產生一輸出電流Ivr。電流 主要是該電流Inpo，但是該小部份的pTAT電流的加入係 使得電流Ivr稍微是ρτΑτ。 該第二校正後的參考電流Ivr係被施加至一個電阻器 Rref，其中橫跨該電阻器的電壓降是一參考電壓參考 電壓Vr係在一個輸出節點138上被提供作為在數位化的 溫度感測器10(圖1)中的參考I/F轉換器5〇的參考電壓

Vref。藉由利用該第二校正後的參考電流以產生用 該參考振的參考電a Vref，—溫度穩定化的參考頻 係可獲得。 於 率 在圖4的輸入產生電路1〇〇中’該些單位增益緩衝器(例 如’緩衝器112、119、124、142、144及146)係被使用於 電流複製，並且可被實施為單位增益放大器、或實施為單 位大小的電流鏡。再者，單位增益緩衝器U2、119、124、 142、144及146係内含在需要電流複製的情形中以產生 該輸入電流的複製。若電流複製對於電路㈣作而 必要的，則該單位增益緩衝器可被省略。當必要時：： 單位增益緩衝器或單位大小的電流鏡以做出一輸入電泣的 :襄是此項技術中眾所週知的。再者，在本發明的輸：產 生電路的實際的做法中，所了解的是，一用於該輸出電流 27 1325051

或施加至-個電阻器的電流可以是原始產生的€流或是該 原始產生的電流的-個複製。換言之，一原始產生的電流 或是該電流的一個複製在一個以的節點的使用*可互換 的’並且對於本發明的實施而言不是重要的❶ 、 用於形成與溫度無關的電％ Inp〇M流乘法因素κηρ 及Knc可以用一種習知的方式導出。電流乘法因素（校正 因素）Kv與Kp可以如下所述地在數學上被導出、或是憑經 驗地透過模擬或元件特性而被導出。當乘法因素Κν與Κρ 是數學上或是透過模擬而被導出時，對於實際的實施而 言’該些值的微調可能是必要的。 當圖4的輸入產生電路〗〇〇被納入在圖】的溫度感測 器中時，一個線性且參考時脈穩定性之校正後的溫度感測 器係被實現。該溫度感測器亦運作以校正由於振盪器中的 時間延遲所造成的線性誤差。利用圖4的輸入產生電路1〇〇 所做成的數位化的溫度感測器10的操作特性現在將會加

以描述。對於其中比較器中之時間延遲是不可忽略的情 形’該溫度感測器的數位輸出信號ADCOUT可被寫成： ADC0UI=NJ- ^data^n 1 ^datt —i] ^ data - 方程式（4) 若做以下的假設：Cdata=Cref=C，Rdata=Rref=R， In=In—l並且td_data=td_ref=td，則方程式（句中的表示式 可被簡化。請注意的是’電流Ip是與PTAT電流idata相 同》該數位輸出信號ADCOUT之簡化後的形式是： 28 1325051

ADc〇ulm=

方程式（5) 當該延遲時間td被假設為零，則方程式（5) 簡化為： 就邮 7"' ，方程式（6)

當沒有線性校正被施加至溫度感測器時（換言之， Κν”’如同在圖3中所示之與溫度無關的電J ΐηρ〇 係被用來產生用於該參考及資料振盪器的參考電壓 及Vref，並且也被用作為該參考振盪器的參考電流ha。 換言之，In=Ivr=Inpo。如同可從以上的方程式（6)觀察到的， 電流Inpo的線性影響到該ADC轉換函數的分母。若該π" 電流Ip被施加在該資料I/F轉換器的電流輸入，則其線性 影響到方程式（6)的分子。因此，該所產生的ADC線性誤 差是一個放大的“碗狀，’誤差，其係由該PTAT電流的碗狀 誤差加上一個由電流Inpo中的CTAT“弓狀，，誤差之倒數所 造成之額外的“碗狀”誤差所造成的。 圖5是描繪相較於未校正的溫度感測器，來自一個線 性化的溫度感測器的溫度輸出信號的溫度誤差之圖。請參 照圖5，當電流Inpo被直接使用作為該參考I/F轉換器的 輸入電流並且也被直接使用來產生用於兩個I/F轉換器的 參考電壓Vdata及Vref時，所產生的溫度量測將會具有如 同在圖5中之“未校正的”曲線所示的線性誤差。該峰值到

峰值誤差是0.955%係等同於-25至85 °C的溫度偏離1.05 °C 29 1325051 p-p ’並且幾乎是大於在典型的系統中之最壞情況可允許的 線性誤差20倍。 然而，當線性校正被應用至溫度感測器時（換言之，Κν 與Κρ#0) ’該數位化的溫度感測器的線性誤差幾乎是完全 被消除’即如由圖5中之“校正後的”曲線所示者。在圖5 之校正後的曲線中觀察到的線性誤差是可忽略的，因而確 保在溫度感測器的量測中之高精確度。 圖4的輸入產生器電路丨〇〇係實施3埠的線性校正方 法’其中該參考頻率係和數位溫度輸出的線性化_起被穩 疋化。因為被用來構成該I/F轉換器的電阻器及電容器之 非理想的特性，參考頻率的校正係被提供。利用本發明的 3埠的線性校正方法之參考頻率的校正以及數位溫度量測 的線性校正係如下所述地運作。 由典型的價格低廉的CMOS製程做成的半導體積體電 路通常不具有在溫度上有良好的穩定性之可利用的電阻 。》。即使是由例如鎳鉻合金或矽鉻合金的金屬薄膜製成的 電阻器典型也將會呈現在電阻相對於溫度上每攝氏度 lOOppm的數量級之大致線性的變化。在1〇〇£)(：的跨度上， 此種電阻器的值可能變化1%。當此種電阻器被用來構成 該I/F轉換器中的參考電阻器Rref時，即使是此電阻器Rref 的電阻值上的小線性變化也會傾向使得參考頻率以線性及 隹線丨生成刀邊化。這是因為在該參考頻率轉換函數的分母 中存在電阻之緣故。首先，該參考電阻器Rref的電阻可以 被表示為如以下可得之一固定的電阻成分以及一溫度變化 30 1325051 的成分：

Ke/O^+ARCT) 〇 接著，包含此種參考電阻器的參考I/F轉換器的輪出 頻率Fref係如以下可得： ’ CWA + ’r刀方程式⑺ 在該I/F轉換器中的電容器Cref的電容值的變化將會 在該參考頻率上有類似的影響。請注意的是，相等地影響 電阻器Rref及Rdata的變化或是相等地影響電容器心紆 及Cdata的變化將不會顯著地影響數位化的溫度量測的線 性（凊參見上述的方程式（6))，但是在電阻器Rref的電阻或 電容器Cref的電容上的任何變化都將會使得參考時脈頻率 變化。為了在電阻器Rref或電容器Cref於所關注的溫度 跨度上呈現即使是相當小的偏差時獲得最佳穩定的參考時 脈頻率且同時最小化溫度線性誤差，所以參考I/F轉換器 的其中一個輸入信號係被調整而作為本發明的線性校正方 法的部份。 更明確地說，在圖4中所繪的3埠的線性校正方法係 包含產生該第二校正後的參考電流以用於產生該參考電壓

Vref。以此種方式，參考頻率的穩定性係被改善，同時線 性杈正係透過該第一校正後的參考電流而被應用至該數位 溫度量測。 由圖4的輸入產生電路1〇〇所提供的校正係涉及形成 兩個校正後的參考電流ϊη(或In一 1)以及Ivr，其中一小部份 的PTAT電流係被加到該電流Inp〇以形成電流卜，並且該 31 1325051 PTAT電流之-個不同的小部份係被加到該電流inp〇以形 成電流—IV!·。該兩個校正後的參考電流可以被表示為·· 人一 U +夂八；以及 !vr - fnp〇 + kvIp 〇 #以上的表示式被代入上述的方程式（5)且#次假設延 遲時間td疋零時’數位輸出信號adc〇ut之簡化的形式 係如以下可得··

ADC^fT) = _ ； 7 Lpo +2kpIpInp〇 + kp2Ip2 ，方程式（8) 該兩個小的常數Kp及Κν必須被選擇成降低該溫度感 測器系統的線性誤差且最小化對於參考時脈頻率的干擾。 本發明的3埠的線性校正方法之實施需要為了該溫度感測 器而決定-組適當的參數Κρ、ΚνΑ①，以最小化在整體 系統中的線性及準確度誤差。參數Kp、Kv及Nc在數學 上的決定、以及在一個系統中應用該數學上的解答，現在 將會加以描述。

參數Kp、Kv及Nc的導出最好是藉由利用一個具有正 規化的電流值的輸入產生電路來加以描述。圖6是根據本 發明的第二實施例，-個用於圖i的頻率比數位化的溫度 感测器的輸入產生電路之概要圖。請參照圖6，輸入產生 電路200係以和圖4的輸入產生電路ι〇〇相同的方式建構， 除了該些被施加在線性IDAC電路中的電流乘法因素之 外。在圖6中，該第一及第二校正後的電流係被正規化以 對於整個溫度感測器中的每個電流維持一固定的總電流大 小。換言之，在輸入產生電路1〇〇中，當該部份的Kp*IpTAT 32 該3埠的線性校 :，最穩定的參考頻率將會產生。因此 正方第一項設計限制係如以下可得 ，方程式（11) 一個如下所 在方程式（11)中所定義&比例限制可以用 述之，，的形式來加以編幕：

jyr(T) I L(T) κσκ„(τ)，方程式（12) 做〇UT’以上描述數位化的溫度感測器的數位輸出信號 ㈣換函數之方程式5係被用來導出該第二項限 J圖對於該數位化的溫度感測器而言，在某個所要的溫度 乾=τ上之數位輸出信號ADC〇UT是一個定義為某些增 通常數日㈣T的線性函數是所期望的。為了本文討論之目 假叹個具有1除以Nc的值之增益常數“a”。當偏移 量誤差是因為其並不影響線性而被忽略時，所要的線性方 程式可對，一 ^固溫度T的範圍被救述為： aT： J?__1Ρ 方程式（13) 方程式（13)可被改寫及簡化，以構成用於利用該3埠 的線性校正方法來在一個溫度範圍τ上線性化頻率比數位 化的溫度感測器之一般的第二項限制。該第二項設計限制 (1t 方程式（14)

係如下所述地表示 ΙΡ_Γ (1 + αΤ) (aT)td RC J 因此’藉由適當的選擇被用作為該參考電壓Vdata及 35 1325051 .·‘ 參考電流11^之PTAT電流Ip與參考電流In的比例，該 數位化的溫度感測器的線性可被最佳化。該比例之一般情 形的最佳選擇目前是部份根據在該資料I/F轉換器處之延 遲時間與等效的RC乘積的比例而定的。電流比例之最佳 的選擇對於該增益參數a之每個選擇的值亦將會是不同 的。該比例Ivr/In是先前藉由用於該第一項限制的方程式 ' 所決定的。 上述的兩項限制現在將被用來決定用於一個範例的溫 • 度感測器系統之校正參數Kv與Kp以及增益調整參數Nc 與偏移量之最佳的選擇。為了簡化數學計算，圖6之正規 化的輸入產生電路將被利用。該第一項限制需要由上述的 方私，^2)所^義且在以下重複敘述的電流比例Ivr/In : RjTjcjr)，方程式 一個正規化的多項式形式之方程式可藉由在所關注的 溫度範圍上擬合（fitting)一曲線至正規化的r與C之量測 φ 值或是模擬值來加以獲得。為了使用上述界定該第二項限 制以用於線性化該系統之方程式，需要找出的第一個未知 數是該電流In ’其係由以下得出： / (haL _ a^d ) kA—RC)] (1 + αΤ)，方程式（16) 儘管方程式（16)是in的一個遞迴函數，該比例Ivr/In 可以用近似的多項式形式從該第一項限制的方程式（15)來 加以判斷出。藉由將方程式（5)代入方程式（16)，該變數In 係從方程式（16)的右邊被消除。此代入係容許方程式（16)直 36 接解出In。在方程式（16)中， 變數。請注意的是，在以上的方：以攝氏度為單位的溫度 ^ jS ^5 β ^ ^ 的方程式（】6)中之所有四個電 /瓜項都疋溫度Τ的函數。電户 声Τ卜沾夕電机1P是該PTA 丁電流，其在溫 又上的夕項式方程式可以難i邀人 藉由擬合一曲線至電流Ip在不 同的》皿度下所得的量測值來

值來加以描述。電阻R是在參考I/F 轉換器的參考電壓輸入處 1卬 < 电阻态Rref的電阻，並且 疋溫度T的一個函數。電袞 β n。 €^C疋在該參考I/F中的集積電 谷器Cref的電容，並且β、、β洚 疋，皿度Τ的一個函數。Td是在該 貝料或參4 I/F轉換器中之固定的延遲時間。最後，該增 盈參數“a”係被選擇以在該線性化動作之後再度正規化該輸 出範圍。 在本例子中，該再度正規化增益調整係藉由調整每次 轉換的參考週期數目>^來數位地被做成。在一個實施例 中，正規化該輸出資料以使得8個LSB構成一攝氏度是便 利的。因此，該增益參數“a”係由以下所定義： α=-1

' ’方程式（17) 方程式（16)及（17)可組合而得到： (——-—~-—)(1-(1 + 8—)

St£ N,

)J 方程式（18) 若在以上的方程式（18)中之參數Ip、R(T)及C(T)都被 擬合至其曲線的多項式取代，則可獲得In之一個近似的多 項式的表示式，其在所關注的溫度範圍上是變數T的一個 函數而且也是增益數參數Nc的一個函數。 37 1325051 . 在本發明的線性校正的實施方式中，目標是找出必須 被加到該與溫度無關的Inpo電流以形成該電流in之一特 定量之額外的PTAT電流，以使得該溫度輸出信號被線性 化為了簡化數學運算’假設該些值Inpo、Ip、R(T)、C(T) 都是在T=0°c為1之正規化的函數。為了形成一正規化的 才父正電流In ’當增加該PTAT成分一個量Kp時，降低該 固定的Inpo成分是必要的’即如同在圖6及以下的方程式 19中所示： 鲁 V’-+ V” 方程式(19) 解出在以上的方程式（19)中的Kp係得到： k - ~n ~ Ir,p° P L — %，方程式（20) 類似地’解出該正規化的校正電流lvr係產生： 1 (T)- ι"(τ)

Vr ⑺，方程式（21) 校正電流lvr可以從In、R(T)以及c⑴的多項式形式 中’以近似的多項式形式得到。同樣地，該校正可藉由將 _ 一小部份的PTAT電流Ip加到該Inpo電流以獲得該所要 的正規化的校正電流Ivr來加以實施： /v, - (7 - A：J/啊 + %，方程式（2 2 ) k = IInp〇 4一L，方程式（23) 電流Inpo及Ip的近似的多項式方程式係藉由隨著溫 度蓋測該些電流來加以決定，並且描述電流In及Ivr的多 項式接著可以在數學上從電流Inp〇及Ip的多項式方程式 來加以決定。若這些多項式被代入以上的方程式且在一已 38 1325051 知的溫度T及增益數Nc下求值，則可以同時獲得在每對 的溫度及增益數Nc值之Kp及Kv的估計值❶從該Κρ及 Κν值，大約的電流Ivr’及ln’可被判斷出，並且該溫度感 測器在溫度上所產生的線性誤差及參考時脈漂移可被計算 出或是實際被量測出。 一種決定Kp、Kv、Nc以及偏移量調整之最佳的一組 值之便利的方法是利用上述的方程式同時計算出在Nc的 每個目標值之KpmKv的估計值’接著當這些估計值被 使用時，檢查由該溫度感測器在所關注的溫度範圍上呈現 之產生的線性及偏移量。該線性誤差以及所需的偏移量校 正典型是藉由使用被代入上述之適當的i/f轉換器及 ADCOUT轉換函數方程式的描述該些電流的多項式之直接 的電腦求值來加以獲得的。 圖7-10係對於包含圖6的輸入產生電路之圖i的數位 感測器’料在每個增益數〜心之各種系統 ^徵的求值。® 7是料圖1與6的頻率比數位化的溫度 感測…攝氏度描繪峰值到峰值線性溫度誤差為增益數 Nc的一個函數之圖。圖8是對於 认、田命a ， 興6的頻率比數位化 的'皿度感測器，描繪在參考頻率上 一 <變化為增盃數Nc的 個函數之圖。圖9是對於圖Μ ^ ^ ：BlI „ J两手比數位化的溫 又感劂态，描繪該些校正因素κ M ^ Am ^ VU&偏移量調整的 數值為日讀Ne的-個函數之圖。圖1() 9所選的校正因素做成的圖…之頻率比心 ： 感測器，描繪數位化的溫度誤差相對於溫度之圖立。匕的’皿度 39 I325U51 如同可從圖7觀察到的，在一個最佳的Nc值之處， 該系統有_最小的線性誤差值，此同時產生&及以 =移量調整的最佳估計值。如同在圖8中所示，當Nc Ik著Kv Kp#同時變化而改變時，參考時脈頻率的峰值 到=值敎性並不顯著地變化。Κρ、&及偏移量調整之 计异出的目標值為Nc的一個函數，其係被展示在圖9中， 其中β玄偏移ϊ調整係被展示為全範圍的一個百分比值。藉 由選擇在產生最小的溫度誤差的Nc值處< Kv、Kp、Nc 以及偏移量調整值（換言之，在虛線框中的值），一個在從一 5至85 C的範圍上具有小於+/·〇 〇5〇c的溫度誤差之溫度 感測器可以獲得，即如同在圖10中所示者。 圖11是對於利用ffi 7_9所選的校正因素所做成之圖i 的頻率比數位化的溫度感測器，描繪參考頻率相對溫 度的百分比變化之圖。如同在圖u中可觀察到的，參考 頻率在從·25至85〇C的範圍上的峰值到峰值頻率誤差只 0.06%。 、上的說明中’該頻率比數位化的溫度感測器係被 描述為實施該3埠的線性校正方法。在某些應用中，該參 考頻率的穩定性不是重要的利用本發明的數位化的溫 度感測盗之應用可以，忍受在參考頻率上溫和的變化（例如， 大約L25%峰值到峰值變化)時，該2埠的線性校正方法可 2用。在該2料線性校正方法中，只有—校正後的參 被產生’並且該參考頻率係'保持未校正的。因此， 相較於該3埠的線性妨|1： t 法’該2埠的線性校正方法實 1325051 施上是較為簡化的，並且可以有利地應用在某些應用中。 圖12是根據本發明的一個第三實施例，用於圖1的頻 率比數位化的溫度感測器的一個實施2埠的線性校正之輪 入產生電路的概要圖《請參照圖12,除了省略該參考線性 IDAC之外，輸入產生電路3〇〇係以相同於圖4的輸入產 生電路100的方式被建構。因此，在該2埠的線性校正方 法中，藉由加總該電流ιηρο(節點308)以及該PTAT電流 IPTAT1 345的一個Kp部份所產生之校正後的參考電流 Ιη_1(節點318)係被使用來同時修改該參考振盪器的參考電 流Iref以及該資料振盪器的參考電壓Vdata。明確地說， 該校正後的參考電流Inj係藉由一個緩衝器319鏡射以形 成電流In，該電流In係被使用作為用於該參考振盪器的 輸入參考電流Iref(節點336)β該校正後的參考電流ΐη^ 係被施加至一個電阻器Rdata以產生用於該資料振盪器的 參考電壓Vdata(節點334)。 然而’用於該參考振盪器的參考電壓Vref(節點3 3 8) 係藉由直接施加該與溫度無關的電流Inpo至一個參考電阻 器Rref而被產生。因此，在該2埠的線性校正方法中，只 有該校正因數Kp是必要的，而該校正因數{^並非所需的。 在圖12的輸入產生電路3〇〇中，該校正後的參考電流 現在是可得為：

Kp0 + kpIp 〇 假設通過該I/F轉換器的時間延遲td是可忽略的，該 數位輸出k號ADCOUT的轉換函數係可得為： 41 1325051

NJ(- ο^ηρο + 2kPlPKP〇 + kp If 0-1] 方程式（23) 在方程式（23)中的轉換函數的線性現在可藉由調整單 -常數Kp @值來加以調|。增& Kp係產生一個其線性是 漸增地f曲的轉換函數，其係抵消該未校正的系統之固有 的“碗狀”誤差。利用該2皡的線性校正方法所獲得的弓狀 校正量係顯著地超過利用該3埠的線性校正方法。在一個

實施例中，利用該3埠的線性校正方法所施加的校正因素 是 ’ Kv = 0.1 833，Nc=263〇 且偏移量〜〇 lsb。 在利用該2埠的線性校正方法時，為了達成相同的線性校 正結果，所施加的校正因素是Κρ=〇 〇475 , Κν=〇，Ν〇=26ΐ3 且偏移量〜0 LSB。請注意的是，對於相同的線性校正結果 而s，在該2埠的線性校正方法中需要比該3埠的方法小 的Kp值’此表示需要較小量的ρΤΑΤ電流來被加到該 電流以線性化數位溫度量測。事實上，根據模擬結果，該

2埠的線性校正方法實際上產生稍微好的結果，其具有 0.084VC ρ_ρ的誤η目對於胃3彳的線性校正情形的 0.089oC ρ-ρ 。 圖13是描繪來自圖12之線性化的溫度感測器相較於 一個未校正的溫度感測缉的溫度輸出信號的溫度誤差之 圖。如同可從® η觀察到的，該碗狀線性誤差係藉由該 校正因數Kp的施加而被校正，並且該所產生的數位溫度 輸出值係具有一個0.0847〇C的峰值到峰值誤差。 圖14是描繪當線性校正被施加至該參考頻率相較於當 沒有線性校正被施加時’在目12的頻率比數位化的溫度 42 丄丄 感測器中之參考頻率上的變化之圖。在圖12@輸入產生 電路中’該參考頻率並未被敎化。因此，當線性校正 破施=時（“沒有-校正”），該參考頻率是穩定的。然而，當 線性校正是透過校正因冑Kp的使用而被施加時(“利用校 正”），該參考頻率在_25至85〇c的溫度範圍上係變化至— 大約1.25%的峰值到峰值位準。 包含圖15(a)、15(b)、15(c)以及15A1的圖15是一個 電流至頻率的（I/F)轉換器之概要圖，其可在本發明的頻率 比數位化的溫度感測器中被利用來實施該I/F轉換器。儘 官任何I /F轉換器（習知或將被開發的）都可被利用在本發明 的頻率比數位化的溫度感測器中，但是使用圖15的ι/ρ轉 換器來實施該資料及參考I/F轉換器係提供特殊的優點。 明確地說，圖15的I/F轉換器5〇〇係確保傳播、邏輯與切 換的時間延遲的總和在溫度、製造處理及電源的變化上是 固定的。再者，通過該I/F轉換器的延遲時間係被最小化， 同時在該延遲時間上的變化也被最小化。最後，通過該I/F 轉換器的延遲總和係以一種其中該輸入電流ibias的溫度 效成係控制該些延遲的方式而被做成。此種延遲可在溫度 上為了最佳的效能，藉由調整施加至該；[/F轉換器的電流 Ibias之溫度係數來加以調整的。 請參照插圖1 5A1，Ι/F轉換器500係接收一輸入電流 Iin以及一輸入參考電壓vref，並且提供一 cik_〇ut信號作 為該頻率輸出信號。當被施加至圖1的溫度感測器時，該 輪入電流Iin是該輸入電流Idata或參考電流iref，並且該 43 1325051 輸入參考電壓是該參考電壓Vdata或參考電壓Vrep該 elk一out信號分別是該Fdata輸出信號或Fref輸出信號。 轉換Is 500係進一步接收一作為輸入電流的偏壓電流化 以及一 Reset_l〇信號。 請參照圖15，I/F轉換器500係包含一個〇型正反器 II1以控制兩個電容器陣列121及122的充電。〇型正反器 IΠ係父替地運作以施加該輸入電流Iin來充電其中一個電 容器陣列。譬如，D型正反器IU發出該控制信號“dswitch” 以施加該輸入電流至上方的電容器陣列121，並且充電在 節點“dintcap”處之電壓。該上方的電容器陣列121係被充 電直到在節點dintcap處之電壓到達該輪入參考電壓 Vref 一 in位準為止，該上方的比較器5 〇2係藉此發出其輸出 信號。接著，d型正反器ιη發出該控制信號dswitch2以 施加該輸入電流至下方的電容器陣列122，並且充電在節 點dintcap2處之電壓。該下方的電容器陣列122係被充電 直到在卽點dintcap2處之電壓到達該輸入參考電壓vref 位準為止，該下方的比較器504係藉此發出其輸出信號。 輸出k號‘‘bufdout”及“2bufdout”係耦接至邏輯閘，以驅動 D型正反器π!來重置及提供時脈給該〇型正反器。 比較器502及5〇4可用習知的方式被實施。在一個實 細*例中，該比較器係包含一個可為了固定的延遲而被調整 之電令器》再者，該比較器係實施一種突然改變方向 (chopping)的方式，因而在該比較器中的任何偏移量電壓 誤差在正負號上每隔一個比較週期都被反轉。以此種方 44 1325051 式，該比較器以及整個Ι/F轉換器的平均延遲時間係被做 成對於供應電壓或溫度變化是不敏感的。 施加至Ι/F轉換器500的偏壓電流Ibias的溫度係數可 被調整，使得在該比較器中的延遲時間是非常固定的。偏 壓電流Ibias係耦接至一個電流鏡，以提供鏡射電壓驅動 給比較器502及504内之電流源裝置。 該些控制該輸入電流Iin到該兩個充電電容器121及 122中之任一個電容器的開關（電晶體M12、M0)並不是電 壓開關，而是被做成電流開關。因此，該些開關係作用像 是一個從該輸入電流Iin饋入的差動對。該輸入電流Iin係 被控制到其閘極驅動電壓是接近接地的路徑。在所選的電 容器陣列處之控制元件（開關M12或M0)接著作用為一個 接地的閘極串疊（cascode)，其係隔離該輸入電流源Iin與 在該比較器處產生的短暫干擾，並且提供一固定的電壓（例 如，一高於接地的PM0S閘極至源極的Vgs電壓）以供該 電流源提供該輸入電流Iin。 該些元件M3及M1係'被用|第一階抵消在切換瞭間 注入之過多的電荷，其中該注人的電荷是溫度及供應電壓 相依的m輯電路的其餘部份係、在重置時提供一個已 在極：：：實施例中，為了使得I/F轉…00能夠作用 在極低的電源電壓（例如，低到L1伏特及 臨界電壓電晶體元件（在 個低

Jr ^ 中標不為L〇W_Vt’，）係被利用 、田處’以使得低供應電麗的操作成為可能的。 45 丄丄 八有Λ項技術之通常技能者在知道本案的說明之後， 將會體認到本發明沾相f 史月的頻率比數位化的溫度感測器在電子技 術中八有許夕應用。根據本發明的—項特點，本發明的頻 率比數位化的/Jtt度感測器係被納人在一個射頻識別（RF】D) 應答器或標藏中，以力+ 乂在該RFID標籤中貫施溫度記錄的功 月b該所產生的RFID標籤（亦被稱為RFID溫度記錄器）係 運作以量測及儲存周圍溫度值，纟中量測間隔可被預先程 式化或是依所要求地程式化。溫度量測值係被儲存在該 R FID溫度記錄器中，並且可依所需地被讀出。以此種方式， 一個包含溫度量測功能的rFID標籤係被實現。 在一個實施例中，該RFID溫度記錄器係被做成為一 個半被動式RFID標籤。作為一個半被動式RFID標籤，該 RFID標籤之部分的電路係由一個在該RFID標籤外部的電 池所供電。該半被動式RFID標籤係包含一個RF通訊區塊、 一個控制邏輯區塊、以及一個包含本發明的頻率比數位化 的溫度感測器之感測器區塊。在本實施例中，該控制邏輯 區塊以及感測器區塊是電池供電的，而該RF通訊區塊是 從入射的RF信號來自我供電的。根據本發明的一項特點， 該感測器區塊係被配置為一個用於量測周圍溫度以及電池 電壓之雙功能的溫度/電壓感測器。 在另一個實施例中，該3埠的線性校正方法係在該頻 率比數位化的溫度感測器中被採用，因而該感測器區塊係 提供一穩定的參考時脈’該參考時脈可被利用於校準該控 46 1325051 制邏輯區塊的即時時脈，即如將在以下更詳細描述者。 圖16是根據本發明的一個實施例之rhd溫度記錄写 的概要圖。請參照圖16,-個RFID溫度記錄器副係包 含-個RF通訊區塊6〇2、-個控制邏輯區塊6()4以及—個 ㈣度/電壓感測器區塊6〇6(在以下稱為“感測器區塊 溫度記錄器600是半被動式並且耦接至一個外部的電池62〇 來接收用於供應該控制邏輯區塊604以及感測器區塊6〇6 的電力。該電池620係跨接到溫度記錄器6〇〇的一個Bat 端子以及接地端子，並且提供一電池電壓Vbat至該控制邏 輯區塊以及感測器區塊。 RFID溫度記錄器600亦包含可以耦接晶體振盪器6 i 〇 的晶體接腳XCKI及XCKO。晶體振盪器610係提供一參 考頻率給該控制邏輯區塊604。晶體振盪器61〇是選配的， 因而在溫度記錄器600中可被省略，因為該感測器區塊6〇6 能夠提供一穩定的參考頻率，即如將在以下更詳細描述 者。 在本實施例中，該RF通訊區塊602係耦接至一個第 一 RF埠RF!以及一個第二rf埠RF2，以用於接收藉由一 個天線（未顯示）偵測到之入射的RF信號。該RF通訊區塊 602係在一匯流排612之上和該控制區塊604通訊，以依 照由該入射的RF信號所命令地讀取或寫入儲存在該控制 邏輯區塊604中的資料。該RF通訊區塊602亦在一匯流 排622之上和該感測器區塊606通訊。感測器區塊606係 在一匯流排614之上和該控制邏輯區塊604通訊。控制邏 47 1325051 輯區塊604係提供控制信號以在感測器區塊6〇6起始溫度 或電壓量測功能，並且感測器區塊6〇6係提供量測到的溫 度或電壓資料以儲存在控制邏輯區塊604中。 根據本發明的一項特點，感測器區塊6〇6亦在—匯流 排618之上提供一穩定的參考時脈以控制邏輯區塊，其中 該穩定的參考時脈係被使用於該控制邏輯區塊中的即時時 脈之校準。以此種方式，rFID溫度記錄器6〇〇的運作並不 需要外部的晶體振盪器。根據本發明的另一特點，該控制 邏輯區塊604係在一匯流排6丨6之上提供一 p〇wer—save信 號至該感測器區塊606，以使得該感測器區塊6〇6關閉電 源以節省電力’即如將在以下更詳細描述者。 在一個實施例中，該RF通訊區塊6〇2係被做成為一 個符合EPC class 〇+的RFID通訊核心，用於透過第一及第 一 RF谭RF 1及RF2提供RF通訊。該RF通訊區塊602係 包含内嵌的狀態機以實施往返於該控制邏輯區塊6〇4的通 訊以及往返於該感測器區塊606的通訊。在一個實施例中， 由該感測器區塊606所提供的感測器資料以及將被傳送至 該感測器區塊606的命令及指令係透過由該RF通訊區塊 602接收及偵測的無線rf鏈路來運送的。打算用於感測器 區塊606的資料及命令係透過匯流排622而傳送往返於感 測區塊6 0 6。 在一個實施例中，該無線RF鏈路是在9〇〇MHz的頻 率，並且支援從16KBps至80KBps的資料速率。從RFm 讀取器至RFID溫度記錄器600的前向鏈路通訊係透過在 48 1325051 30%至100%之間的調變深度之調幅RF。從rFID溫度記錄 器600至RFID讀取器的反向鏈路通訊係透過被動式反向 散射。如上所述，該RFID通訊區塊602並不接收電池電 力，而是透過在天線上之入射的RF而被供電。 該控制邏輯區塊604係包含暫存器及記憶體，以用於 儲存從RF通訊區塊302接收的命令且用於儲存由感測器 區塊606所提供的溫度或電壓資料。該控制邏輯區塊6〇4 係運作以控制該RFID標籤600的動作。控制邏輯區塊6〇4 係從外部的電池620接收電池電力。在本圖中，控制邏輯 區塊604係包含一對輸入端子Clock—In，以用於從一個外 部的晶體振盪器610接收一輸入時脈信號。該輸入時脈信 號係使得該控制邏輯能夠同步化其即時時脈。然而，該些 Cl〇ck_In端子以及外部的晶體振盪器610是選配的，並且 在本發明的其它實施例中是可被省略的。尤其，當感測器 區塊606在匯流排61 8之上提供穩定的參考時脈時，晶體 振盡盗61〇是不需要的。 在一個實施例中，該控制邏輯區塊604係運作以命令 或開始由感測器區塊606所做的溫度量測。該溫度量測可 包含從1秒至8小時之使用者所選的間隔。溫度記錄的起 了 乂疋在開機之際、或只有在鬲溫或低溫啟動點、或是 在一段特定的延遲時間之後。再者，在一個實施例中該 控制邏輯區塊604係包含用以在每一樣本8個位元下儲= 高達4000個溫度量測值的記憶體。該控制邏輯區塊亦可 被程式化以記錄在每個量測活動期間量測到的最小及最大 49 1325051 的溫度，並且若溫度量測值超過某個預先程式化的位準 時，則提供警告信號。 該控制邏輯區塊604亦控制該感測器區塊6〇6量測電 池電壓且節省電池電力。當感測器區塊6〇6並未從事溫卢 量測時，控制邏輯區塊604係指示感測器區塊6〇6電源關 閉以節省電池電力。對於一個量測活動期間，該控制邏輯 區塊604亦喚醒感測器區塊6〇6。在該量測活動期間的完 成之後，該控制邏輯區塊604係關閉其内部的時脈信號以 將該感測器區塊606以及其本身内部的電路電源關閉。在 一個實施例中，當未進行量測時，除了該資料記憶體之外， 控制邏輯區塊604係將該感測器區塊以及其本身所有的電 路電源關閉。以此種方式，功率消耗係被降低至最小的位 準’因而電池電力可延長為較長的壽命。 在本實施例中’該感測器區塊606係量測電池電壓vBAT 以及周圍溫度。從感測器區塊606所提供的電池電壓的量 測值，控制邏輯區塊604可以判斷電池電力是否為低的。 若該電池電力是低的，則控制邏輯區塊6〇4係在匯流排6 i 6 之上發出power一save命令以將感測器區塊6〇6電源關閉， 因而剩餘的電池電力可被節省。在一個實施例中，該 power•一save命令係使得電池電力從該感測器區塊6〇6斷 開，因而沒有更多電池電力被消耗。在另一實施例中，當 電池電力在一個臨界位準時，除了該資料記憶體之外，控 制邏輯區塊604以及感測器區塊606的電源將會被關閉， 並且剩餘的電池電力將會被用來維持該資料記憶體以保存 50 1325051 量測資料。 譬如，如同在圖17中所示，該電池電壓Vbat係透過 一個開關S2而連接至用於該溫度/電壓感測器區塊6〇6的 電源電壓Vdd節點680。該電源電壓Vdd節點680係代表 被耦接來供應該感測器區塊中的電路之電源電壓。該開關 S2係藉由該power一save信號來加以控制。當該p〇wer_save 信號未被發出而指出良好的電池電力狀況時，開關S2係 被閉合以容許電池電力耦接至該感測器區塊606的電源電 壓節點680。當該p〇wer_save信號被發出以指出較低的電 池電力狀況時，開關S2係被打開以將該電池電壓從該感 測器區塊斷開。 該溫度/電壓感測器區塊606現在將會加以詳細地描 述。圖17是根據本發明的一個實施例，一個可被納入在 圖16的RFID溫度記錄器中之溫度/電壓感測器區塊的概 要圖。請參照圖17，感測器區塊6〇6係被配置以量測周圍 溫度以及該電池電壓VBAT。感測器區塊606係藉由外部的 電池620來加以供電。在一個實施例中，該感測器區塊6〇6 係被設計以從一個1.55V氧化銀鈕扣型電池來運作，並且 作用來在-25°C至85°C上提供正確的溫度及電壓量測，即 使當該電池放電到低於1.1伏特以下也是如此。 溫度/電壓感測器區塊606係實施以上參考圖Kl5所 述的頻率比數位化的溫度感測器架構。然而，根據本發明， s玄感測器區塊606係被配置以利用相同的數位化器電路來 量測溫度及電壓。為了實施溫度量測功能，如上參考圖i 51 1325051 所述，感測器區塊606係包含一個溫度感測器625，以提 供一 PTAT電流（IPTAT)以及一 CTAT電流（ICTAT)至該溫 度數位化器電路。該CTAT電流ICTAT係被提供至一個輸 入產生電路630的ICTAT_IN輸入端子，而該PTAT電流 IPTAT係被提供至輸入產生電路630的IPTAT_IN輸入端 子。 為了實施電壓量測功能，感測器區塊606係使用一個 包含電阻器R1及R2之電阻器的分壓器。該電阻器的分壓 器係連接至該電池電壓端子BAT以及該接地電位，以接收 該電池電壓VBAT。一指示該電池電壓的電流IB AT係在一 個節點618上被提供。電阻器R1及R2的電阻係被選擇以 建立電流IB AT之所要的斜率。該電流IB AT係被提供至 一個開關S 1，以可切換地連接至感測器區塊606中的頻率 比數位化器電路，即如以下將會更詳細加以描述者。 感測器區塊606的頻率比數位化器電路係以相同於如 上參考圖1-15所述的方式而被做成。明確地說，該數位化 器電路係包含該輸入產生電路630以及一個頻率比類比至 數位轉換器（ADC)。輸入產生電路630係接收該兩個溫度 相依的電流IPTAT及ICTAT。輸入產生電路630係產生驅 動該頻率比ADC之必要的輸入信號IDATA、VDATA、IREF 以及VREF。輸入產生電路630用於產生該電流及電壓信 號IDATA、VDATA、IREF以及VREF的動作係相同於以 上參考圖1-15所述的動作。在本實施例中，該頻率比ADC 係包含電流至頻率的（I/F)轉換器640以及計數器與減法電 52 1325051 路660。計數器與減法電路660可以接收來自該控制邏輯 區塊的偏移量調整以及增益調整信號。該頻率比ADC係 提供一輸出信號ADCOUT作為該頻率比數位化器的量測輸 出信號。 被提供至I/F轉換器640的信號IDATA係代表將被數 位化成為該量測輸出信號ADCOUT的資料信號。因此，當 溫度量測將被進行時，該信號ID ΑΤΑ是溫度相依的PTAT 電流ΙΡΤΑΤ。當電池電壓量測將被進行時，該信號IDATA 是電壓相依的電流IB AT。根據本發明的雙功能溫度/電壓 量測設計’該電壓相依的電流IB AT以及溫度相依的電流 IPTAT係耦接至開關S 1，以交替地耦接至該頻率比ADC 〇 開關S1係接收一由該控制邏輯區塊604提供在匯流排614 上之選擇信號，並且選擇該電流IPTAT或是該電流IBAT 以被耦接作為該信號IDATA至I/F轉換器640以用於數位 轉換。以此種方式，感測器區塊606的數位化器電路係提 供一指示被耦接作為該I/F轉換器的IDATA信號之溫度量 測或電壓量測的ADCOUT信號。 利用該量測到的電池電壓值，該控制邏輯區塊604可 以判斷是否有足夠的電池電力來繼續溫度量測操作。在一 個實施例中，該感測器區塊606只有在電池電壓高於1.1 伏特時才運作。因此，當感測器區塊606所提供的電池電 壓量測指出電池電壓小於1.1伏特時，該控制邏輯區塊604 係發出該p〇wer_save信號以關閉該感測器區塊606。 在圖17中，該選擇信號、偏移量調整與增益調整信號 53 1325051

以及ADCOUT輸出信號係在匯流排614之上傳送在控制邏 輯區塊604以及感測器區塊606之間。在一個實施例中， 為了節省電池電力，大部份的數位化器電路在量測轉換之 間都被配置為關閉的，而保持在該感測器區塊以及邏輯控 制區塊之間的介面電路是在幾乎為零的靜態功率的汲取下 被供電，因為該些介面電路是在量測將再次被進行時重新 起動該感測器區塊所必須的。 本發明的雙功能的溫度/電壓感測器的一個特點是該感 測器係被配置成使得溫度及電壓量測共用相同的用於該數 位化器電路的偏移量及增益調整值。明確地說，在一個所 選的溫度量測點（例如〇。〇之PTAT電流ΙρτΑτ係被設定 為相同於在一個所選的電壓量測點（例如15伏特）的電池 電流ΙΒΑΤ。以此種方式，該電壓量測的偏移量以及增益 調正值係追隨輒度量測，因而兩種量測只需要一組偏移量 及增益調整值。 如上所述，當本發明的頻率比數位化的溫度感測器實 :該3埠的線性校正方法時’該頻率比數位化的溫度感測 。'糸提供穩定化的參考時脈頻率，同時仍然最小化溫度 數位，的線性誤h該穩定化的參考時脈頻率可被利用於 時脈枝準因此’根據本發明，感測器區塊_係被配置 以實施該3埠的線性校正方法 万法並且一參考時脈信號係被 k供在匯流排6 1 8之上。兮失去。士〆 这參考時脈信號接著可被提供給 該控制邏輯區塊604，用以枋淮—κ 用以校準該控制邏輯區塊的時脈信 號0 54 1325051 圖18是可被納入在圖17的溫度/電壓感測器區塊中之 電池電壓及PTAT電流選擇電路的電路圖。在圖17中所繪 的電池電流產生電路以及該電池電流及PTAT電流選擇電 路係被簡化，以說明溫度/電壓感測器區塊606的操作原 理。圖1 8係描繪一個電池電壓及PTAT電流選擇電路700 的一種實際的實施方式，其可被利用來產生一指示該電池 電壓的電流並且選擇性地耦接該電池電流或是該溫度相依 的PTAT電流至該I/F轉換器作為該輸入信號IDATA。 請參照圖18，在電路700中，該電池電壓VBAT係耦 接至一個由電阻器R1及R2所構成之電阻器的分壓器。該 電池電壓VBAT亦透過一個藉由該power_save信號所控制 的開關S2而耦接至該電源電壓Vdd節點。因此，在電路700 中’除了電阻器R1及R2之電阻器的分壓器（以及相關連 的電晶體M54)之外，所有的電路都連接至該電源Vdd電 壓，因而如上所述，當該power—save信號被發出時，所有 的電路都可以與電池電力斷開連接。 為了量測該電池電壓，該對串聯的電阻器R1及R2係 連接在該電池電壓VBAT以及接地電壓VSS之間，以形成 該電阻器的分壓器。一個藉由VBAT_sel信號所控制的 NMOS電晶體M54係被耦接在電阻器R2以及VSS之間， 以在電池電壓量測被選擇時連接該電阻器的分壓器、或是 在電池電壓量測未被選擇時斷開與該電阻器的分墨器之連 接。電晶體M54係藉由一 VBAT一sel信號來加以控制，該 VBAT_sel仏號係在電池電壓量測被選擇時發出。在動作 55 叫5051

中’電晶體M54係被用來斷開電池電流通過電阻器Ri及 R2的DC電流路徑’因而當電池電壓量測未被進行時，電 池電力並未被汲取。電晶體M54係被設計成具有—個非常 大的寬度對長度比’因而導致只有一個小的電壓降橫跨電 晶體M54。換言之，當電晶體M54被導通時，相較於電阻 器R1及R2的電阻值’橫跨該電晶體的電阻是可忽略的。 電阻器R1及R2之電阻器的分壓器係提供一電流Inn， 該電流Inn係耦接至一個運算放大器（〇pamp)73〇的第一輸 入端子。Opamp 730係以一個回授迴路被配置，其中 730的輸出端子係耦接以驅動一個pM〇s電晶體M67^m〇s 電晶體M67具有一個耦接至該電池電壓Vbat的源極端子， 並且在其汲極端子處提供一電流Ιηρ至〇pamp 73〇的第二 輸入端子。opamp 730的輸出端子亦耦接以驅動一個pM〇s 電晶體M56，用於提供一指示該電池電壓'Η的汲極電流 IBAT^電晶體Μ67是電晶體Μ56的十倍，因而輸入電流 Inn及Ιηρ可具有大的電流值，而在電晶體μ%之輸出電 流ΙΒΑΤ係維持在—個小的電流位準。明確地說，藉由利 用1〇: 1的電晶體比例於電晶體Μ67與Μ56，電阻器旧 及们的電阻值可以保持為小的，因為電流Inn及峋可且 有較大的值。換言之，對於電阻器及而言，使用大 的電阻值以獲得用於電'流Ιηη及Ιηρ之較小的電流值是不 必要的》即使當電阻器RqR2的電阻值是小的且該輸入 電流mn及〜是大的，在電晶體M56之輸出電流· 措由比例化的電晶體M67/M56的使用仍然維持為小的。在 56 1325051 一個實施例中，該電流Inn及Inp是在20μΑ的範圍中，而 該電流ΙΒΑΤ是在2μΑ的範圍中。 在另一實施例中，opamp 730係實施一種截波（chopper) 設計，以最小化在該第一及第二輸入端子之間的偏移量電 壓誤差。 在本實施例中，該電池電壓量測的正確性係藉由一個 電阻器調整數位至類比轉換器（DAC)720的使用來加以確 保。更明確地說，製程變化可能會產生電阻器R1及R2的 電阻值變化。在電阻值上的變化係藉由電阻器調整DAC 720 來加以調整，因而該電池電流IBAT對於製程變化是不敏 感的》在本說明中，電阻器調整DAC係包含一個PMOS 電晶體耦接至各個調整電阻器。一系列的調整電晶體-電阻 器對係被設置以容許電阻器R1及R2的電阻值有精確的調 整。一或多個電晶體係藉由調整程式碼WQ至Wn而被導通， 以選擇一或多個調整電阻器。該電阻器調整DAC的結構 只是舉例性質，在本發明的其它實施例中亦可利用其它的 調整電路配置。再者，電阻器調整DAC 720是選配的，因 而在本發明的其它實施例中可被省略。 藉由opamp 730結合PMOS電晶體M56所產生的電池 電流IBAT以及該溫度相依的PTAT電流IPTAT係可切換 地連接至該I/F轉換器640作為該輸入信號IDATA。在本 實施例中，該電池電流IB AT係透過一個開關S 7 1而被耦 接至該IDATA端子，而電流IPTAT係透過一個開關S72 而被耦接至該IDATA端子。開關S71係藉由該VBAT_sel 57 1325051 信號來加以控制，而開關S72係藉由一 IP_sel信號來加以 控制。該VBAT_sel信號以及IP_sel信號是互補且非重疊 的信號。當該VB AT_sel信號被發出時，該IP_sel信號並 未被發出，因而電池電流IB AT係耦接至該IDATA端子。 當該VB AT_sel信號未被發出時，該IP_sel信號係被發出， 因而該PTAT電流IPTAT係耦接至該IDATA端子。 當該電池電流或PTAT電流未被施加時，該電流係傳 送至一替代的路徑至接地，因而該未使用的電流並不會影 響該感測器區塊的動作。在本實施例中，一個PMOS電晶 體M58以及一個連接成二極體的NMOS電晶體M63係提 供該替代的電流路徑給該電池電流IBAT。當該VBAT_sel 信號未被發出時，電晶體M58係被導通以透過電晶體M63 汲取該電池電流IBAT至該接地節點VSS。當 VBAT_sel 信號被發出時，電晶體M5 8是開路的，因而所有的電池電 流都透過開關S7 1而被導向該IDATA端子。 在該PTAT電流側，一個PMOS電晶體M64以及一個 連接成二極體的NMOS電晶體M66係提供該替代的電流 路徑給該PTAT電流IPTAT。當該IP_sel信號未被發出時， 電晶體M64係被導通以透過電晶體M66汲取該電流IPTAT 至該接地節點VSS。當IP_sel信號被發出時，電晶體M66 是開路的，因而所有的PTAT電流都透過開關S72而被導 向該IDATA端子。 如上所述之本發明的RFID溫度記錄器係實現一種具 有溫度量測功能及電池電壓監視功能的RFID。該RFID溫 58 丄 又己錄器可以進一步用減少的組件數量而被做成，因為其 並:需要外部的晶體振盪器。胃RFID 度記腳係藉由 在里測未被進行時關閉所有的數位電路之電源來達到電池 效率本發明的RFID溫度記錄器係使得在RFID系統中迅 速且容易的應用成為可能的。 、^上詳細的說明係被提供來描繪本發明的特定實施例 並且非打疋限制性的。在本發明的範疇内許多的修改及 I化都疋可月b的。本發明係藉由所附的申請專利範圍加以 界定。 【圖式簡單說明】 圖1疋根據本發明的一個實施例之頻率比數位化的溫 度感測器的概要圖。 圖2是描繪由於通過電流至頻率的轉換器的傳播延遲 所造成在溫度量測上之弓狀線性誤差之圖。 圖3是描繪溫度相依的電流的線性誤差之圖。 圖4是根據本發明的一個實施例，實施在圖1的頻率 比數位化的溫度咸浪丨哭+ + ，t i ,,, 没A ’盗中之3埠的線性校正的輸入產生電 路之概要圖。 圖5疋描繪相較於未校正的溫度感測器，來自線性化 的溫度感測器的溫度輸出信號之溫度誤差的圖。 圖6是根據本發明的第二實施例，用於圖ι的頻率比 數位化的溫度感測器的輸入產生電路之概要圖。 圖7是對於圖1與6的頻率比數位化的溫度感測器， 以攝氏度描緣模擬在_25至85()c的最壞情況的峰值到峰值 59 1325051

/孤度誤差為增益數Nc的一個函數之圖，其中在每個Nc值 的校正因素Kv與Kp的值已經根據在圖9中所示的結果而 同時被計算出。 圖8是對於圖丨與6的頻率比數位化的溫度感測器， 描、.s在參考頻率上之最壞情況的峰值到峰值變化為增益數

Nc的個函數之圖，其中每個值Ne的校正因素Kv與Kp 已經根據在圖9中所示的結果而同時被計算出。 圖9是對於圖丨與6的頻率比數位化的溫度感測器， 描繪一個藉由多項式近似所描述且藉由使用方程式丨丨及Μ 的限制解出之範例的系統在單一溫度下之Nc的每個目標 值之該些校正因素Kp、Kv以及偏移量調整的數值之圖。” 圖10是對於利用圖7_9所選的校正因素做成的圖1及 6之頻率比數位化的溫度感測器，描繪數位化的溫度誤差 相對於溫度之圖。 圖11是對於利用圖7-9所選的校正因素所做成之本發 明的頻率比數位化的溫度感㈣，㈣參考 度的百分比變化之圖。 '皿 圓12是根據本發明的一個第三實施例，用於圖丨的頻 率比數位化的溫度感測器的一個實施2埠的線性校正 入產生電路的概要圖。 卿 圖13是描繪來自圖I〗 一個未校正的溫度感測器的 圖0 之線性化的溫度感測器相較於 溫度輸出信號的溫度誤差之 圖14 疋描繪當線性校正被施加至該參考 頻率相較於當 60 1325051 沒有線性校正被施加時，在圖12的頻率比數位化的溫度 感測器中之參考頻率上的變化之圖。 圖15係包含圖i5(a)、15(b)、15(c)以及15A1，其係 一個電流至頻率的轉換器之概要圖，其可被利用在本發明 的頻率比數位化的溫度感測器中實施該I/F轉換器。 圖16是根據本發明的一個實施例之RFID溫度記錄器 的概要圖》 圖1 7是根據本發明的一個實施例，一個可被納入在圖 16的RFID溫度記錄器中之溫度/電壓感測器區塊的概要 圖。 圖18是可被納入在圖17的溫度/電壓感測器區塊中之 電池電壓及PTAT電流選擇電路的電路圖。 【主要元件符號說明】 10頻率比數位化的溫度感測器 2 〇溫度感測電路 22、24節點 30輸入產生電路 32、34、36、38 節點 40、50電流至頻率的（I/F)轉換器 44 、 54節點 60資料計數器 62溫度 64 、 66節點 68輪出端子 61 1325051 ·· 70參考計數器 72端子 7 8輸出端子 80減法電路 82輸出端子 ' 100輸入產生電路 ‘ 102、104緩衝器 106加總器 • 108節點

I 10、120 線性 IDAC II 4緩衝器 11 6加總器 1 1 8節點 1 19、122、124 緩衝器 126加總器 128節點 • 1 3 2、1 3 6、13 8輸出節點 142、144、146 緩衝器 200輸入產生電路

210資料線性IDAC 2 1 2、2 1 4緩衝器 2 1 6加總器 2 1 8節點

220參考線性IDAC 62 1325051 * . 222、224緩衝器 226加總器 228節點 300輸入產生電路 3 0 2 R F通訊區塊 ' 308、318 節點 • 3 1 9緩衝器 334 、 336 、 338 節點 # 345 PTAT 電流 IPTAT1 500 I/F轉換器 502、504比較器 600 RFID溫度記錄器 602 RF通訊區塊 604控制邏輯區塊 606溫度/電壓感測器區塊 6 1 0晶體振盪器 ® 61 2、614、616、61 8 匯流排 620外部的電池 622匯流排 625溫度感測器 630輸入產生電路 640電流至頻率的（I/F)轉換器 660計數器與減法電路 680電源電壓Vdd節點 63 1325051 700電池電壓及PTAT電流選擇電路 720電阻器調整DAC 730運算放大器（opamp)

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Claims (1)

1. XJ〇05l 十、申請專利範園： 1-一種頻率比數位化的溫度感測器（10)，其係包括： 一個溫度感測電路（20)，其係提供一成比例於絕對溫 度的電流（“PTAT電流，，）以及一互補於絕對溫度的第二電流 (“CTAT 電流”）； 一個輸入產生電路（3〇)，其係耦接至該溫度感測電路 从接收該PTAT電流以及CTAT電流，該輸入產生電路係 ^ 從該PTAT電流以及CTAT電流之加權的總和來產生一第 一電流’該第一電流是與第一階溫度無關的，該輸入產生 電路進一步產生一第一校正後的電流，該第一校正後的電 流是該第一電流以及該ρτΑτ電流的一個第一部份的總 "玄輸入產生電路係提供一指示該ΡΤΑΤ電流的第一輸 出電流、一藉由施加該第一校正後的電流至一個第一電阻 器所產生的第一輸出電壓、一指示該第一校正後的電流之 第—輸出電流、以及一藉由施加該第一電流至一個第二電 阻器所產生的第二輸出電壓；以及 個頻率比類比至數位轉換器，其係包含一個接收該 第輸出電流及第一輸出電壓的資料振盈器以及一個接收 該第二輪出電流及第二輸出電壓的參考振盪器，該頻率比 、至數位轉換器係產生一線性校正後的溫度輸出信號。 2.如申請專利範圍帛】項之頻率比數位化的溫度感測 #其中該頻率比類比至數位轉換器係包括： ^為該資料振盪器的第一電流至頻率的轉換器 /、係從該輸入產生電路接收該第一輸出電流及第— 65 ]出電壓，並且提供一指示該Ρτ 信號; 電流的第一頻率輸出 ~個作為該參考振盪器的第二 (1〇)，伤％ β认 爪至頻率的轉換器 輪出電麼並且福徂β 按U第-輪出電流及第二 U並且楗供一第二頻率輸 佗號是一參考頻率； X弟一頻率輸出 信個第一計數器電路(60)，纟係接收該第一頻率輪 化並且產生一個指示該第一頻率 pe „ 平称出k號在一個轉拖地 間的時脈週期數目的第一數位計數值； 轉換期 信赛二計數器電路Μ)，4係接收該第二頻率輪出 目二 1個指不該第二頻率輸出信號的時脈週期數 目的第二數位蚪叙壮 朴丄 ^ ^ ^ . 彳數值’其令該轉換期間係藉由該第二頻率 輸出信號之-預設數目的時脈週期所界m 個減法電路（8G)，其係從該第—數位計數值減去該 一數位計數值，該減法電路係提供該溫度輸出信號。 盆申吻專利範圍帛1項之頻率比數位化的溫度感測 '’、中該第輸出電流是該ptat電流的一個複製並 / 杈正後的電流或該第一校正後的電流的一個複製 係被知加至。玄第一電阻器以用於產生該第一輸出電壓。 。。4·如申°月專利範圍帛3 $之頻率比數位化的溫度感測 :。一中該第校正後的電流或該第一校正後的電流的— 個複製係被施加作為該第二輪出電流。 66 1 ‘如申明專利範圍帛1項之頻率比數位化的溫度感測 益，其中該輸入產生電路係更包括： 1325051 一個第一加總電路（106)，其係耦接以加總該pTAT電 流的一個第二部份以及該CTAT電流的一個第三部份以產 生該第一電流，該第一電流在溫度上具有一非線性的特 徵；以及 一個第二加總電路（116)，其係耦接以加總該第一電流 以及該第一部份的PTAT電流以產生該第一校正後的電 流’該第一部份是該PTAT電流的一小部份。 6. 如申請專利範圍第5項之頻率比數位化的溫度感測 器，其中該輸入產生電路係更包括一個第一緩衝器（丨14)， 該第一緩衝器係接收該PTAT電流並且施加一個第一校正 因數至該PTAT電流以產生該第一部份的pTAT電流。 7. 如申請專利範圍第6項之頻率比數位化的溫度感測 器’其中該第一校正因數具有一個小於〇15的值。 8. 如申請專利範圍第6項之頻率比數位化的溫度感測 器，其中該輸入產生電路係更包括一個第二緩衝器（212)， 該第二緩衝器係接收該第一電流並且施加一個第二校正因 數至該第一電流以產生一正規化的第一電流，該第二校正 因數是1減去該第一校正因數，該第二緩衝器係提供該正 規化的第一電流至該第二加總電路，以和該第一部份的 PTAT電流加總。 9. 如申請專利範圍第丨項之頻率比數位化的溫度感測 器，其中該輸入產生電路係進一步產生一第二校正後的電 流，該第二校正後的電流是該第一電流以及該pTAT電流 的一個第四部份的總和，該第四部份係不同於該第一部 67 1325051 份，該輪入產生電路係藉由施加該第-枋 一 /矛一权正後的電流至該 第二電阻器來產生該第二輸出電壓。 1 〇·如申請專利範圍第9項之頻率屮盔& 。。 两+比數位化的溫度感測 器’其中該輸入產生電路係更包括： 一個第一加總電路（206) ’其係耦接以加總該ρτΑτ電 部份以及1¾ CTAT電流的—個第三部份以產 生該第-電流，該第-電流在溫度上係具有一個非線性特 徵；

   一個第二加總電路（216)，其係耦接以加總該第一電流 以及該第一部份的PTAT電流以產生該第一校正後的電 流，該第一部份是該PTAT電流的—小部份；以及 一個第三加總電路（226)，其係耦接以加總該第一電流 以及該第四部份的PTAT電流以產生該第二校正後的電 流，該第四部份是該PTAT電流的一小部份並且是不同於 該第一部份。 11·如申請專利範圍第10項之頻率比數位化的溫度感 測器’其中該輸入產生電路係更包括： 個第一緩衝器（214) ’其係接收該ρτAT電流並且施 加個第一校正因數至該PTAT電流以產生該第一部份的 PTAT電流；以及 個第一緩衝器（222) ’其係接收該pTAT電流並且施 加一個第二校正因數至該PTAT電流以產生該第四部份的 PTAT電流。 12_如申請專利範圍第n項之頻率比數位化的溫度感 68