CN105928632B - 一种温度传感器前端电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路领域，特别涉及一种温度传感器前端电路。本发明公开了一种温度传感器前端电路，包括以发射极面积不同，但有同样集电极偏置电流的三极管对做输入的两级放大器、线性化电路和基极电流抵消电路，所述两级放大器产生与温度正相关的电流I´_pt（T)和与温度负相关的电流I´_ct（T)，所述线性化电路接在两级放大器的同相输入端，并通过三极管基极电流大的温度系数对电流I´_ct（T)进行非线性补偿，所述基极电流抵消电路产生一基极抵消电流I_b（T)，所述基极抵消电流I_b（T)与电流I´_pt（T)和电流I´_ct（T)中含有的基极电流大小相同。本发明输出的温度信号的线性度高，电路结构简单，功耗低，易于实现，成本低。

Description

一种温度传感器前端电路

技术领域

本发明属于电路领域，具体涉及一种集成于无源电子标签的温度传感器前端电路。

背景技术

将RFID或NFC标签与温度传感器电路相结合，可以有效的感知节点的温度信息并加以管理和应用，从而有效的拓宽和完善了RFID或NFC标签在现代物流监控、医药、食品仓储等领域的应用。同时也使得集成于RFID或NFC标签中的温度传感器电路设计成为当前的研究热点。

集成在无源RFID或NFC标签上的温度传感器，出于降低成本的考虑，温度传感器的设计需要占用较少的芯片面积，以及能通过最少的校准次数达到应用所需的测量精度。此外，由于无源RFID或NFC标签的能量来源于天线接收无线电波，天线所能收集到的能量非常有限，所以温度传感器还应满足低功耗的要求，从而不会显著降低标签的灵敏度。传统的温度传感器前端电路采用普通的三极管或是金属氧化物半导体场效应管搭建，如图1a和图1b所示，其产生与温度相关的电流Ipt与Ict（经由电压Vct转换成Ict，图中省略该转换电路），然而，由于三极管自身的非线性，产生的电流具有较大的非线性误差，该误差需要经过后续电路的额外补偿，增大了设计复杂度与不确定性。为此，大部分精准温度传感器前端电路采用单独的偏置电流产生电路与温度信号产生电路以降低信号非线性，如公开专利：CN204142381U，但从功耗的角度分析，此方法增加了整个温度传感器的功耗，从而降低了标签的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种输出的温度信号的线性度高，电路结构简单，功耗低，易于实现，成本低温度传感器前端电路。

为此，本发明公开了一种温度传感器的前端电路，包括以发射极面积不同，但有同样集电极偏置电流的三极管对做输入的两级放大器、线性化电路和基极电流抵消电路，所述两级放大器产生与温度正相关的电流I´_pt（T)和与温度负相关的电流I´_ct（T)，所述线性化电路接在两级放大器的同相输入端，并通过三极管基极电流大的温度系数对电流I´_ct（T)进行非线性补偿，所述基极电流抵消电路产生一基极抵消电流I_b（T)，所述基极抵消电流I_b（T)与电流I´_pt（T)和电流I´_ct（T)中含有的基极电流大小相同。

进一步的，还包括启动电路，所述启动电路防止电路工作在零偏置点。

进一步的，所述电流I´_pt（T)、电流I´_ct（T)和基极抵消电流I_b（T)分别通过第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜输出。

进一步的，所述两级放大器电路包括NPN三极管Q2、Q3和P型MOS管Mp3至Mp8，所述线性化电路包括NPN三极管Q1、Q0和电阻Rss，所述NPN三极管Q2和Q3的射极面积不同，所述P型MOS管Mp3与Mp4串联，所述P型MOS管Mp5与Mp6串联，所述P型MOS管Mp7与Mp8串联，所述P型MOS管Mp3、Mp5和Mp7的源极接电源V_DD，所述P型MOS管Mp3与Mp4的栅极接P型MOS管Mp6的漏极，所述P型MOS管Mp5、Mp6、Mp7和Mp8的栅极接P型MOS管Mp8的漏极，所述P型MOS管Mp8的漏极依次串联NPN三极管Q3和电阻Rss接地，所述NPN三极管Q3的基极接P型MOS管Mp4的漏极，所述P型MOS管Mp6的漏极依次串联NPN三极管Q2和电阻Rss接地，所述P型MOS管Mp4的漏极串联电阻Rpt接NPN三极管Q2的基极和NPN三极管Q1的基极和集电极，所述NPN三极管Q1的发射极接NPN三极管Q0的基极，所述NPN三极管Q0的集电极接电源V_DD，所述NPN三极管Q0的发射极接地，所述P型MOS管Mp4的漏极电流为电流I´_pt（T)，所述P型MOS管Mp6的漏极电流为电流I´_ct（T)。

更进一步的，所述基极电流抵消电路包括P型MOS管Mp9至Mp12、放大器A1、NPN三极管Q4和电阻2Rss，所述第三电流镜包括P型MOS管Mp13和Mp14，所述放大器A1的同相输入端接NPN三极管Q3的集电极，所述放大器A1的反相输入端接NPN三极管Q4的集电极，所述NPN三极管Q4的发射极串联电阻2Rss接地，所述电阻2Rss的阻值为电阻Rss的两倍，所述P型MOS管Mp9与Mp10串联，所述P型MOS管Mp11与Mp12串联，所述P型MOS管Mp13与Mp14串联，所述P型MOS管Mp9、Mp11和Mp13的源极接电源V_DD，所述P型MOS管Mp10的漏极接NPN三极管Q4的集电极，所述P型MOS管Mp12的漏极接NPN三极管Q4的基极，所述P型MOS管Mp9与Mp10的栅极接P型MOS管Mp7的栅极，所述P型MOS管Mp11至Mp14的栅极接放大器A1的的输出端，所述P型MOS管Mp14的漏极为输出端，输出基极抵消电流I_b（T)。

本发明的有益技术效果：

本发明的输出温度信号的线性度通过用含高温度系数的三极管集电极电流得以提高，电路结构简单，功耗低，易于实现，成本低。

附图说明

图1a和图1b为传统的温度传感器前端电路原理图；

图2为本发明实施例的温度传感器前端电路原理图；

图3为本发明实施例的改善前后的V_BE非线性示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

一种温度传感器前端电路，包括以发射极面积不同，但有同样集电极偏置电流的三极管对做输入的两级放大器、启动电路、线性化电路和基极电流抵消电路，所述启动电路控制整个前端电路的工作，所述两级放大器产生与温度正相关的电流I´_pt（T)和与温度负相关的电流I´_ct（T)，所述线性化电路接两级放大器电路的同相输入端，通过三极管基极电流大的温度系数对电流I´_ct（T)进行非线性补偿，所述基极电流抵消电路产生一基极抵消电流I_b（T)，所述基极抵消电流I_b（T)与电流I´_pt（T)和电流I´_ct（T)中含有的基极电流大小相同，所述电流I´_pt（T)、电流I´_ct（T)和基极抵消电流I_b（T)分别通过第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜输出。

具体的，如图2所示，两级放大器电路包括NPN三极管Q2、Q3和P型MOS管Mp3至Mp8，所述线性化电路包括NPN三极管Q1、Q0和电阻Rss，所述基极电流抵消电路包括P型MOS管Mp9至Mp12、放大器A1、NPN三极管Q4和电阻2Rss，所述第一电流镜包括P型MOS管Mp1和Mp2，所述第二电流镜包括P型MOS管Mp15和Mp16，所述第三电流镜包括P型MOS管Mp13和Mp14，所述启动电路包括P型MOS管M0、Mp17和Mp18。NPN三极管Q2和Q3的射极面积不同，如图2所示，本实施例中，NPN三极管Q2的射极面积为p，NPN三极管Q2的射极面积为1，其中p不等于1，P型MOS管Mp3与Mp4串联，P型MOS管Mp5与Mp6串联，P型MOS管Mp7与Mp8串联，P型MOS管Mp3、Mp5和Mp7的源极接电源V_DD，P型MOS管Mp3与Mp4的栅极接P型MOS管Mp6的漏极，同时依次串联电容Cc和电阻Rz接P型MOS管Mp4的漏极，电容Cc作为环路补偿，电阻Rz作为零点补偿，P型MOS管Mp5、Mp6、Mp7和Mp8的栅极接P型MOS管Mp8的漏极，P型MOS管Mp8的漏极依次串联NPN三极管Q3和电阻Rss接地，NPN三极管Q3的基极接P型MOS管Mp4和M0的漏极，P型MOS管Mp6的漏极依次串联NPN三极管Q2和电阻Rss接地，P型MOS管Mp4的漏极串联电阻Rpt和Rb接NPN三极管Q2的基极，P型MOS管Mp4的漏极串联电阻Rpt接NPN三极管Q1的基极和集电极，NPN三极管Q1的发射极接NPN三极管Q0的基极，NPN三极管Q0的集电极接P型MOS管M₀的漏极，型MOS管M₀的源极接电源V_DD，NPN三极管Q0的发射极接地。

放大器A1的同相输入端接NPN三极管Q3的集电极，放大器A1的反相输入端接NPN三极管Q4的集电极，NPN三极管Q4的发射极串联电阻2Rss接地，电阻2Rss的阻值为电阻Rss的两倍，P型MOS管Mp9与Mp10串联，P型MOS管Mp11与Mp12串联，P型MOS管Mp13与Mp14串联，P型MOS管Mp9、Mp11和Mp13的源极接电源V_DD，P型MOS管Mp10的漏极接NPN三极管Q4的集电极，P型MOS管Mp12的漏极接NPN三极管Q4的基极，P型MOS管Mp9与Mp10的栅极接P型MOS管Mp7的栅极，P型MOS管Mp11至Mp14的栅极接放大器A1的的输出端，P型MOS管Mp14的漏极为输出端，输出基极抵消电流I_b（T)，P型MOS管Mp1与Mp2串联，P型MOS管Mp1的源极接电源V_DD，P型MOS管Mp1与Mp2的栅极接P型MOS管Mp3的栅极，P型MOS管Mp2的漏极为输出端，输出电流I´_pt（T)，P型MOS管Mp15与Mp16串联，P型MOS管Mp15的源极接电源V_DD，P型MOS管Mp15与Mp16的栅极接P型MOS管Mp5的栅极，P型MOS管Mp16的漏极为输出端，输出电流I´_ct（T)，P型MOS管Mp17与Mp18串联，P型MOS管Mp17的源极接电源V_DD，P型MOS管Mp17与Mp18的栅极接P型MOS管Mp15的栅极，P型MOS管Mp18的漏极接N型MOS管Mn1的漏极和栅极，N型MOS管Mn1的源极接N型MOS管Mn2的漏极和栅极，N型MOS管Mn2的源极接地，N型MOS管Mn1的栅极与P型MOS管M0的栅极连接。

工作时，由于NPN三极管Q2、Q3与P型MOS管Mp3至Mp8的放大以及电阻Rpt的负反馈作用，电阻Rpt上的电压为VT*lnp（其中，VT为热电压，p为NPN三极管Q2、Q3的射极面积比），为一个与温度正相关（PTAT）电压信号，并通过电阻Rpt产生一个PTAT电流I´_pt（T)。该电流通过P型MOS管Mp1和Mp2镜像输出。同时，电流I´_pt（T)-电流Ib2（电流Ib2为NPN三极管Q2的基极电流）流经NPN三极管Q1与Q0的基极，产生一个与温度负相关（CTAT）信号，与电阻Rb和NPN三极管Q2一起决定电阻Rss两端电压，并通过电阻Rss产生一个CTAT电流I´_ct（T)，最后通过P型MOS管Mp15和Mp16镜像输出。由于镜像输出的I´pt(T)与I´ct(T)中含有NPN三极管Q3的基极电流成分，基极电流抵消电路产生与NPN三极管Q3基极电流相同的电流I_b（T)，并通过P型MOS管Mp13和Mp14镜像输出对I´pt（T）与I´ct（T）进行补偿。若电阻的温度系数忽略不计（如输出采用比例式输出，电阻的温度效应不影响电路性能），PTAT电流I´pt（T）的线性度高，无需做非线性调整。然而，对于CTAT电流I´ct(T)，由于NPN三极管Q2的基极-射极电压V_BE的本征非线性V_BE=V_g0-V_T[(η-a)lnT-lnEG]（V_g0为在0K时的硅带隙，η=4-n，n为电子迁移率的温度系数，a为三极管集电极偏置电流的温度系数，EG为与工艺相关的常数），其在-55℃到125℃温度范围内，包含有3-4mV的非线性成分，在不做额外电路补偿的情况下会造成约2℃的非线性温度误差，影响最终的温度传感器性能。本发明避免了传统复杂非线性补偿电路，而仅利用NPN三极管Q2基极电流大的温度系数以提高电压V_BE的线性度，如图2所示，NPN三极管Q2的基极电流为PTAT，其集电极电流为beta*I´pt（T）（beta为三极管电流放大系数），由于beta含有较大温度系数XTB（XTB为工艺参数），NPN三极管Q2的集电极电流温度系数为1+XTB，其有效减小NPN三极管Q2的电压V_BE的非线性度，如图3所示，图中曲线1代表传统的温度传感器前端产生的信号，曲线2为本发明实施例的温度传感器前端产生的信号，其线性度较1提高:XTB/(η-1)，其中XTB与η均为CMOS工艺参数。在深亚微米工艺，XTB变大，其优化效果更好。

当然，本实施例中，NPN三极管Q1、Q0、Q2和Q3的数量均为1个，在其它实施例中，也可以是多个，采用多个NPN三极管Q1、Q0、Q2和Q3的电路结构时本领域技术人员可以轻易实现的，此不再细说。

本实施例给出了两级放大器的其中一种优选实施电路，当然，在其它实施例中，两级放大器也可以采用其它实施电路，如采用电阻做负载，PMOS级连做负载等，或者单个PMOS作为负载等。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种温度传感器前端电路，其特征在于：包括以发射极面积不同，但有同样集电极偏置电流的三极管对做输入的两级放大器、线性化电路和基极电流抵消电路，所述两级放大器产生与温度正相关的电流I′_pt(T)和与温度负相关的电流I′_ct(T)，所述线性化电路接在两级放大器的同相输入端，并通过三极管基极电流大的温度系数对电流I′_ct(T)进行非线性补偿，所述基极电流抵消电路产生一基极抵消电流I_b(T)，所述基极抵消电流I_b(T)与电流I′_pt(T)和电流I′_ct(T)中含有的基极电流大小相同。

2.根据权利要求1所述的温度传感器前端电路，其特征在于：还包括启动电路，所述启动电路防止前端电路工作在零偏置点。

3.根据权利要求1所述的温度传感器前端电路，其特征在于：所述电流I′_pt(T)、电流I′_ct(T)和基极抵消电流I_b(T)分别通过第一电流镜、第二电流镜和第三电流镜输出。

4.根据权利要求1所述的温度传感器前端电路，其特征在于：所述两级放大器包括NPN三极管Q2、Q3和P型MOS管Mp3至Mp8，所述线性化电路包括NPN三极管Q1、Q0和电阻Rss，所述NPN三极管Q2和Q3的射极面积不同，所述P型MOS管Mp3与Mp4串联，所述P型MOS管Mp5与Mp6串联，所述P型MOS管Mp7与Mp8串联，所述P型MOS管Mp3、Mp5和Mp7的源极接电源V_DD，所述P型MOS管Mp3与Mp4的栅极接P型MOS管Mp6的漏极，所述P型MOS管Mp5、Mp6、Mp7和Mp8的栅极接P型MOS管Mp8的漏极，所述P型MOS管Mp8的漏极依次串联NPN三极管Q3和电阻Rss接地，所述NPN三极管Q3的基极接P型MOS管Mp4的漏极，所述P型MOS管Mp6的漏极依次串联NPN三极管Q2和电阻Rss接地，所述P型MOS管Mp4的漏极串联电阻Rpt接NPN三极管Q2的基极和NPN三极管Q1的基极和集电极，所述NPN三极管Q1的发射极接NPN三极管Q0的基极，所述NPN三极管Q0的集电极接电源V_DD，所述NPN三极管Q0的发射极接地，所述P型MOS管Mp4的漏极电流为电流I′_pt(T)，所述P型MOS管Mp6的漏极电流为电流I′_ct(T)。

5.根据权利要求3所述的温度传感器前端电路，其特征在于：所述基极电流抵消电路包括P型MOS管Mp9至Mp12、放大器A1、NPN三极管Q4和电阻2Rss，所述第三电流镜包括P型MOS管Mp13和Mp14，所述放大器A1的同相输入端接NPN三极管Q3的集电极，所述放大器A1的反相输入端接NPN三极管Q4的集电极，所述NPN三极管Q4的发射极串联电阻2Rss接地，所述电阻2Rss的阻值为电阻Rss的两倍，所述P型MOS管Mp9与Mp10串联，所述P型MOS管Mp11与Mp12串联，所述P型MOS管Mp13与Mp14串联，所述P型MOS管Mp9、Mp11和Mp13的源极接电源V_DD，所述P型MOS管Mp10的漏极接NPN三极管Q4的集电极，所述P型MOS管Mp12的漏极接NPN三极管Q4的基极，所述P型MOS管Mp9与Mp10的栅极接P型MOS管Mp7的栅极，所述P型MOS管Mp11至Mp14的栅极接放大器A1的的输出端，所述P型MOS管Mp14的漏极为输出端，输出基极抵消电流I_b(T)。