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一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器

阅读:9发布:2024-01-06

专利汇可以提供一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种超低功耗多模式可配置单点校准的高 精度 温度 传感器 ,所述的传感器包括:传感器前端和一阶增量∑-Δ 模数转换 器 。其中,所述的传感器前端包括:双极型晶体管、带斩波器的 运算 放大器 、双极型晶体管 电流 增益补偿 电阻 、 电流镜 电路 、动态元件匹配模 块 DEM CONTROL 1、Mux电路。所述的一阶增量∑-Δ模拟数字转换器包括: 开关 电容阵列、一阶模数 调制器 (sigma-delta modulator)、比较器、数字 滤波器 、动态元件匹配模块DEM CONTROL 2。本发明可在但不限于体温范围实现±0.1°C精度的温度测量,在全温区范围则可以根据不同配置,达到不同的精度。本发明在超低功耗的前提下,可以平衡用户对精度和测量时间的需求。,下面是一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器专利的具体信息内容。

1.一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,包括:传感器前端和一阶增量∑-Δ模数转换器(incremental sigma-delta ADC),其特征在于,所述的一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,在某一或某几个温度范围内可达到±
0.1°C的测量精度,在体温区范围(±0.1°C精度的区域可以根据实际需求进行调整或增加)实现 ±0.1°C精度的温度测量,在全温区范围可以根据用户需求配置IADC的分辨率和测量时间(12位~16位),平衡所需的精度和测量时间。
2.根据权利要求1所述的一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,其特征在于,所述的传感器前端,包括:双极型晶体管、带斩波器的运算放大器、双极型晶体管电流增益补偿电阻电流镜电路、动态元件匹配模DEM CONTROL 1、Mux电路。
3.根据权利要求1所述的一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,其特征在于,所述的一阶增量∑-Δ模数转换器(incremental sigma-delta ADC),包括:开关电容阵列、一阶模拟数字调制器(sigma-delta modulator)、比较器、数字滤波器、动态元件匹配模块DEM CONTROL 2。
4.根据权利要求1所述的一阶增量∑-Δ模数转换器(incremental sigma-delta ADC),其特征在于,所述的开关电容阵列(连续∑-ΔADC可使用电阻实现以下同样的算法)采用特殊的动态元件匹配(DEM (dynamic element matching)CONTROL)算法。
5.根据权利要求4所述的所述的特殊的动态元件匹配(DEM (dynamic element matching)CONTROL)算法,其特征在于,所述的特殊的动态元件匹配(DEM (dynamic element matching)CONTROL)算法,采用将某几个单位电容划为一组(传统做法是每个电容需要一组开关控制),每组电容用同一组开关控制的方式实现增益系数,这样的做法极大的降低了控制开关的数量,极大的降低的版图布局布线的难度和工作量。
6.根据权利要求1所述的一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,其特征在于,所述的传感器前端,用于产生两个精确的电压VBE,并通过数据选择器(Mux)产生电压∆VBE和VBE2。
7.根据权利要求1所述的一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,其特征在于,所述的一阶增量∑-Δ模数转换器(incremental sigma-delta ADC),选择需要的模式,采用开关电容阵列对∆VBE和VBE2进行采样或采样放大,产生电压VINP和电压VINN,并由比较器输出0/1序列BS,通过数字滤波器对BS序列中的1的个数进行计数,计数的时钟周期由一开始设置的ADC分别率决定,最后输出温度码。
8.根据权利要求7所述的开关电容阵列(连续∑-ΔADC可使用电阻实现同样的方法),其特征在于,所述的开关电容阵列,放大的倍数由比较器输出的BS的值决定接入的电容个数,由此实现不同的系数。
9.根据权利要求7所述的序列BS,其特征在于,所述的序列BS,
当BS=0时,积分器的电荷增加,增益系数为∂k1、k2,且积累的转移电荷量Q0为积分电容(Cint)和∂k1倍∆VBE与k2倍VBE2的差的乘积;
当BS=1时,积分器的电荷减少,增益系数为∂k3、k4,积累的转移电荷量Q1为积分电容(Cint)和∂k3倍∆VBE与k4倍VBE2的差的乘积;
当积分的周期数Ntotal足够大时,剩余的电荷量可以被认为远远小于总电荷量,此时,充电的电荷量和放电的电荷量相加的总和为零。
10.根据权利要求1所述的一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,其特征在于,所述的一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,经过变形后的新温度与旧温度的比例等于k1与k2的和与k1和k3的差;且新温度比例和旧温度比例存在一个偏移量,其值为k2与k1和k3的差的比值。
11.根据权利要求9-10所述的增益系数k,其特征在于,所述的增益系数k,所述比例需满足,k1的值大于k3;k4的值大于k2;k1与k3的差等于k4与k2的差。

说明书全文

一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体和片内温度传感器技术领域,具体涉及一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器。

背景技术

[0002] 随着物联网时代的到来,各种可穿戴和可植入生物的医学设备开始长期用于监测人体健康,体温即是一项衡量人体健康的重要指标。因此应用于测温系统的温度传感器,人们对其温度配置精度的要求越来越高,如:需要在37ºC~39ºC这个范围达到±0.1°C的精度;在低于37ºC和高于39ºC的范围内达到±0.2°C的精度。为了延长这些设备的电池寿命,减少更换电池的次数,要求温度传感器需要达到超低功耗。
[0003] 传统的温度传感器通常使用的是分离器件,如热电偶、热敏电阻、铂电阻等,但由于这些分立器件消耗的功耗高,测温慢,且不可与互补金属化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor)进行工艺集成,逐渐不能满足用户的要求。因此,可与互补金属氧化物半导体集成、测温快、基于标准CMOS工艺的低功耗智慧温度传感器越来越受欢迎。
[0004] 超高精度的温度传感器通常都需要采用动态元件匹配技术和系统级的斩波,且为了在全温区范围内能达到±0.1°C的精度,通常需要采用二阶增量∑-Δ模数转换器(increamental sigma-delata ADC),但此应用大大的增加了功率的损耗,因此超低功耗高精度温度传感器逐渐引领市场。

发明内容

[0005] 基于以上内容,本发明提供了一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,在超低功耗的同时,使用户在测量精度、测量时间和测量范围这三者取得平衡。
[0006] 为实现上述目的,本发明的技术方案为。
[0007] 一种超低功耗多模式可配置单点校准的高精度温度传感器,包括:传感器前端和一阶增量∑-Δ模数转换器(incremental sigma-delta ADC)。其特征在于,在某一或某几个小温度范围内达到±0.1°C的精度(本专利中的实例为体温范围),在全温区范围可以根据用户需求配置IADC的分辨率和测量时间(12位~16位),达到所需的精度。
[0008]  所述的传感器前端,其特征在于,包括: 双极型晶体管、带斩波器的运算放大器、双极型晶体管电流增益补偿电阻、电流镜电路、动态元件匹配模DEM CONTROL 1、Mux电路。
[0009] 所述的一阶增量∑-Δ模数转换器(incremental sigma-delta ADC),其特征在于,包括: 开关电容阵列、一阶模拟数字调制器 (sigma-delta modulator)、比较器、数字滤波器、动态元件匹配模块DEM CONTROL 2。
[0010] 所述的开关电容阵列(连续∑-ΔADC可使用电阻实现以下同样的算法),其特征在于,所述的开关电容阵列采用特殊的动态元件匹配(DEM CONTROL)算法。
[0011] 所述的特殊动态元件匹配(DEM CONTROL)算法,其特征在于,采用将某几个单位电容划为一组,每组电容采用同一组开关控制的方式来实现增益系数,极大的降低了控制开关的数量,极大的降低的版图布局布线的难度和工作量。
[0012] 所诉的双极型晶体管均为PNP型晶体管。
[0013] 所述的传感器前端,其特征在于,用于产生两个精确的电压VBE,并通过选择器(Mux)产生电压∆VBE和VBE2。
[0014] 所述的一阶增量∑-Δ模数转换器(incremental sigma-delta ADC),其特征在于,采用开关电容阵列,对∆VBE和VBE2进行采样或采样放大,输出电压VINP和电压VINN给模数转换器(ADC)。通过配置不同的模式,对温度传感器的精度和测量范围进行配置。
[0015] 本发明产生了如下有益效果:本发明只有运算放大器存在静态功耗,由于温度信号的带宽只有10Hz,所以运算放大器的带宽也可以相应的降低,因此整体温度传感器的功耗只达到几微瓦的量级,可实现超低功耗;
本发明在超低功耗的情况下,仅进行单点校准,便可实现在某一或某几个温度范围内达到±0.1°C的精度;
本发明在超低功耗的情况下,仅进行单点校准,在全温区根据需求,平衡时间和精度,可以达到较高的精度(如±0.5°C);
本发明既可以应用于医疗领域,又可以兼容其他的应用场景,由于其超低的功耗,甚至可以集成在某些无源测温领域;
本发明可以给使用者提供更多精度及时间配置、开发空间。
附图说明
[0016] 图1为本发明传感器前端简化电路图。
[0017] 图2为本发明一阶增量∑-Δ模数转换器简化电路图。
[0018] 图3为本发明选择模式为0的结构原理图和温度比例u随温度的变化图。
[0019] 图4为本发明选择模式为1的结构原理图和温度比例u随温度的变化图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图和具体实施方式,对本发明进行进一步的详细说明。
[0021] 如图1所示,双极型晶体管Q1和Q2的集电极以及Q2的基极直接连接到电线接地端(GND)。
[0022] 双极型晶体管Q1的基极连接到电阻R2的一端,发射极连接带斩波器的运算放大器的负端; 双极型晶体管Q2的发射极连接到电阻R1的一端,电阻R1的另外一端连接到带斩波器的运算放大器的正端。
[0023] 双极型晶体管Q1和Q2的面积比例设置为1:1;偏置电流Ibias的比例设置为5:1;电阻R1和R2的阻值比例设置为5:1,以上部分用于产生稳定的偏置电流。
[0024] 双极型晶体管Q3和Q4,面积为Q1和Q2的两倍;分别通过开关S1-S6连接到六个相同的电流镜,并采用动态元件匹配技术(图中DEM CONTROL 1)来降低六个电流镜之间的不匹配,从而产生两个精确的电压VBE,并由Mux产生电压∆VBE和VBE2。
[0025] 如图2所示,选择需要的模式,采用开关电容阵列, 对∆VBE和VBE2进行采样或采样放大,进而输出电压VINP和电压VINN。
[0026] 将电压VINP和电压VINN输入一阶模拟数字调制器,比较器通过判断一阶模拟数字调制器的输出,得到0/1序列BS。
[0027] DEM CONTROL 2根据BS的值输出控制电容开关阵列(连续∑-ΔADC可使用电阻实现同样的方法)开关的控制信号,进而控制下一次采样的放大倍数,即选择电容开关阵列中需接入的电容。
[0028] 数字滤波器(在一阶的情况下可以直接简化为一个计数器)对BS序列中的1的个数进行计数,计数的时钟周期由一开始设置的ADC分别率决定,数字滤波器的输出即为温度码。
[0029] 如图3所示,选择MODE=0,及体温测量范围时,∆VBE和VBE2由开关采样电容进行采样放大,放大的倍数由比较器输出的BS的值决定。
[0030] 当BS=0时,积分器处于充电状态,增益系数为∂k1、k2,且积累的转移电荷量Q0为积分电容(Cint)和∂k1倍∆VBE与k2倍VBE2的差的乘积。
[0031] 当BS=1时,积分器处于放电状态,增益系数为∂k3、k4,积累的转移电荷量Q1为积分电容(Cint)和∂k3倍∆VBE与k4倍VBE2的差的乘积。
[0032] 当积分的周期数Ntotal足够大时,剩余的电荷量可以被认为远远小于总电荷量,此时,充电的电荷量和放电的电荷量相加的总和为零。
[0033] 经过变形后的新温度与旧温度的比例等于k1与k2的和与k1和k3的差;且新温度比例和旧温度比例存在一个偏移量,其值为k2与k1和k3的差的比值。
[0034] 以上比例需满足,k1的值大于k3;k4的值大于k2;k1与k3的差等于k4与k2的差。
[0035] 如图四所示,选择MODE=1,及全温区测量范围时,∆VBE和VBE2由开关采样电容进行采样放大,放大的倍数由比较器输出的BS的值决定,放大倍数由电容比值实现。
[0036] 基于电荷平衡,当BS=0时,积分器处在充电状态,增益系数为∂k1(k2=0)。
[0037] 基于电荷平衡,当BS=1时,积分器处在放电状态,增益系数为k4(k3=0);k1与k4的比值等于1,为了减少热噪声对电路的影响,k1和k4的值可以在总的单位电容个数内选择尽可能大的整数。
[0038] 以上对本发明的特征和原理进行了详细说明,但所述内容仅为解释本发明所选用的应用案例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依据本发明的原理本质所作的均等改变与改进,均应归属本发明的专利涵盖的保护范围内。
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