TWI402492B - 電流式雙斜率溫度數位轉換裝置 - Google Patents

Description

電流式雙斜率溫度數位轉換裝置

本發明係有關一種轉換裝置，特別是關於一種電流式雙斜率溫度數位轉換裝置。

人類日常生活中常常運用到溫度資料，例如空調系統、冰箱及消防器材等。用來感測溫度的元件有很多種，可能是利用電阻的變化、電動勢的產生、顏色或體積的改變等各種方式來表現溫度的變化，而半導體材料其導電性受溫度的影響很大，因此以半導體材料所構成的積體電路之導電性也會受到溫度的影響，由此可利用積體電路特性隨溫度來改變的方式以製造感溫用的積體電路。

一般溫度感測裝置如第1圖所示，包含一溫度相依感測器10、一參考源電路12及類比至數位轉換器(ADC)14；其中溫度相依感測器10主要用來產生隨溫度變化之電流與電壓，參考源電路12之功能則為產生與溫度無關的能隙參考電壓或電流源，至於類比至數位轉換器14則是將溫度相依感測器10與參考源電路12兩者之電壓差或電流差轉換成數位訊號。

溫度感測裝置可粗略分為兩種架構，即電壓域操作與時域操作。對於電壓域操作架構而言，在一定操作電壓下，為了達高解析度及高精確度之要求，必須要有複雜的校正電路，但如此便增加了研發時間、成本、消耗功率，及製成可攜性的問題。另對於時域操作架構，時域分割將沒有電壓擺幅限制，亦不需要額外的校正電路。然而，時域操作架構係使用反向器或延遲元件做溫度相依感測器，因此再轉換特性曲線存在有相當曲率的問題。

因此，本發明係在針對上述之困擾，提出一種電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，以解決習知所產生的問題。

本發明之主要目的，在於提供一種電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其係利用雙斜率架構實現溫度數位轉換，並同時達成高線性解析度的要求，以避免一般時域電路所產生的曲率效應。

本發明之另一目的，在於提供一種電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其係利用電流源與電容組成的電流式積分器取代傳統之放大器式積分器，並採用對溫度較不敏感且省電、小面積的反向器取代傳統之比較器，以達到小面積與低功耗等優點。

為達上述目的，本發明提供一種電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其包含相互連接之一第一、第二開關，且其受一組非重疊控制訊號控制，第一、第二閉關分別連接一溫度相依電流源與一參考電流源，其係分別產生一溫度相依電流與一參考電流。一電容之一端連接第一、第二開關，另一端連接一參考電壓，在第一開關導通時，溫度相依電流對電容充電，在第二開關導通時，參考電流對電容放電。第一、第二開關與電容係連接至少一觸發器之輸入端，觸發器設有一觸發電壓，並比較電容之端電壓與觸發電壓，以輸出一第一數位訊號，此觸發器可以反向器實現。一邏輯控制器連接觸發器之輸出端與第二開關，並接收第一數位訊號，以根據第二開關之開關狀態與第一數位訊號，輸出一第二數位訊號。邏輯控制器更連接一時間至數位轉換器，在參考電流對電容放電時，且第一數位訊號變動前，轉換器接收第二數位訊號與一時脈訊號，並依據第二數位訊號，從時脈訊號計算對應之時脈數，以產生對應之數位輸出值。

茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

請參閱第2圖，本發明包含一第一、第二開關16、18，其係受一組非重疊控制訊號控制，亦即當第一開關16導通時，第二開關18需呈截止狀態；或當第一開關16截止時，第二開關18需呈導通狀態；或第一、第二開關16、18同時截止；但第一、第二開關16、18不可同時導通。第一、第二開關16、18分別連接一參考電流源20與一溫度相依電流源22，此兩電流源20、22皆為直流電流源，參考電流源20係產生一參考電流，溫度相依電流源22係產生一溫度相依電流，且溫度相依電流係與溫度成正比，當溫度愈高，則溫度相依電流愈大，當溫度愈低，則溫度相依電流愈小。

本發明更包含至少一觸發器，此至少一觸發器係以互相串聯之二反向器26、28為例。第一、第二開關16、18皆連接至一電容24之一端與反向器26之輸入端，且電容24之另一端連接一參考電壓V_ref ，在第一開關16導通時，溫度相依電流對電容24充電，在第二開關導通18時，參考電流對電容24放電。

二反向器26、28皆設有一作為觸發電壓之切換電壓v _t ，其係大於參考電壓V_ref ，且反向器28之輸出端連接一邏輯控制器30。反向器26係比較電容24之端電壓與切換電壓v _t ，以輸出一第一數位訊號，反向器28接收第一數位訊號，以比較第一數位訊號與切換電壓v _t ，進而輸出第二數位訊號至邏輯控制器30中。

在此轉換裝置中，係利用電流源20、22與電容24組成的電流式積分器，不但能取代傳統之放大器式積分器，更適用互補式金氧半製程(CMOS)設計。此外，更採用對溫度較不敏感且省電、小面積的反向器取代傳統之耗電的比較器，以達到小面積與低功耗等優點。

邏輯控制器30連接第二開關18與一時間至數位轉換器(time-to-digital converter)，此時間至數位轉換器係以計數器32為例，邏輯控制器30接收第二數位訊號，以根據第二開關18之開關狀態與第二數位訊號，輸出一第三數位訊號。計數器32在參考電流對電容24放電時，且第二數位訊號變動前，接收第三數位訊號與一時脈訊號(Clk)，並依據第三數位訊號之直流準位，從時脈訊號計算對應之時脈數，以產生對應之計數值，以作為數位輸出值。

電容24與一重置開關34並聯，且重置開關34連接參考電壓V_ref 與邏輯控制器30，在溫度相依電流對電容24充電前與計數器32輸出計數值後，邏輯控制器30係瞬時導通重置開關34，以將電容24之端電壓控制在參考電壓V_ref 上。

以下請同時參閱第3圖，為了清楚說明，先介紹第3圖中每一個波形代表的意義。由於第一、第二開關16、18受一組非重疊控制訊號控制，因此v _{s 1} 代表控制第一開關16之訊號的電壓值，當v _{s 1} 為高準位時，代表第一開關16導通，當v _{s 1} 為低準位時，代表第一開關16截止；v _{s 2} 代表控制第二開關18之訊號的電壓值，當v _{s 2} 為高準位時，代表第二開關18導通，當v _{s 2} 為低準位時，代表第二閉關18截止。V_reset 代表邏輯控制器30與重置開關34之間的電壓，當V_reset 為高準位時，代表邏輯控制器30控制重置開關34導通，當V_reset 為低準位時，代表邏輯控制器30控制重置開關34截止。v _x 代表電容24之端電壓；v _t 代表反向器26或反向器28之切換電壓；V_d1 代表第一數位訊號之電壓值；V_d2 代表第二數位訊號之電壓值；v _p 代表第三數位訊號之電壓值。

在t₁ 之前，v _{s 1} 與v _{s 2} 皆為低準位，V_reset 為高準位，因此第一、第二開關16、18截止，邏輯控制器30控制重置開關34瞬時導通，電容24之端電壓v _x 等於V_ref 。由於v _x 小於v _t ，因此反向器26在比較v _x 與v _t 後，係輸出電壓值V_d1 為高準位之第一數位訊號，反向器28接收此第一數位訊號後，係輸出電壓值V_d2 為低準位之第二數位訊號。另由於第二開關18成呈截止狀態，因此邏輯控制器30係輸出電壓值v _p 為低準位之第三數位訊號。

在時間等於t₁ 時，v _{s 1} 從低準位提升至高準位，v _{s 2} 為低準位，因此第一開關16從截止變為導通，第二開關18依然截止，v _x 、V_d1 、V_d2 、v _p 皆保持原來電壓值。

在時間介於t₁ 與t₂ 之間時，v _{s 1} 為高準位，v _{s 2} 為低準位，因此第一開關16導通，第二開關18截止，溫度相依電流源20產生之溫度相依電流向電容24充電，使v _x 以一固定斜率上升，但此時v _x 仍小於v _t ，所以反向器26在比較v _x 與v _t 後，係輸出電壓值V_d1 為高準位之第一數位訊號，反向器28接收此第一數位訊號後，係輸出電壓值V_d2 為低準位之第二數位訊號。另由於第二開關18呈截止狀態，因此邏輯控制器30係輸出電壓值v _p 為低準位之第三數位訊號。

在時間等於t₂ 時，v _{s 1} 為高準位，v _{s 2} 為低準位，因此第一開關16導通，第二開關18截止，溫度相依電流依然向電容24充電，但v _x 等於v _t ，因此反向器26、28被觸發，由反向器26輸出之第一數位訊號之電壓值V_d1 從高準位降至低準位，由反向器28輸出之第二數位訊號之電壓值V_d2 從低準位提升為高準位。另由於第二開關18呈截止狀態，因此邏輯控制器30係輸出電壓值v _p 為低準位之第三數位訊號。

在時間介於t₂ 與t₃ 之間時，v _{s 1} 為高準位，v _{s 2} 為低準位，因此第一開關16導通，第二開關18截止，溫度相依電流依然向電容24充電，且v _x 大於v _t ，因此反向器26在比較v _x 與v _t 後，係輸出電壓值V_d1 為低準位之第一數位訊號，反向器28接收此第一數位訊號後，係輸出電壓值V_d2 為高準位之第二數位訊號。另由於第二開關18呈截止狀態，因此邏輯控制器30係輸出電壓值v _p 為低準位之第三數位訊號。

在時間等於t₃ 時，v _{s 1} 從高準位降至低準位，v _{s 2} 為低準位，因此第一開關16從導通變為截止，第二閉關18依然截止，溫度相依電流停止向電容24充電，v _x 不再上升，而保持一固定值。此時v _x 大於v _t ，因此反向器26在比較v _x 與v _t 後，係輸出電壓值V_d1 為低準位之第一數位訊號，反向器28接收此第一數位訊號後，係輸出電壓值V_d2 為高準位之第二數位訊號。另由於第二開關18呈截止狀態，因此邏輯控制器30係輸出電壓值v _p 為低準位之第三數位訊號。

在時間介於t₃ 與t₄ 之間時，v _{s 1} 為低準位，v _{s 2} 為低準位，因此第一開關16截止，第二開關18截止。此時v _x 大於v _t ，因此反向器26在比較v _x 與v _t 後，係輸出電壓值V_d1 為低準位之第一數位訊號，反向器28接收此第一數位訊號後，係輸出電壓值V_d2 為高準位之第二數位訊號。另由於第二開關18呈截止狀態，因此邏輯控制器30係輸出電壓值v _p 為低準位之第三數位訊號。

在時間等於t₄ 時，v _{s 1} 為低準位，v _{s 2} 從低準位提升為高準位，因此第一開關16依然截止，第二開關18從截止變為導通，v _x 、V_d1 、V_d2 皆保持原來電壓值。另由於第二開關18從截止變為導通，因此由邏輯控制器30輸出之第三數位訊號之電壓值v _p ，從低準位提升為高準位。

在時間介於t₄ 與t₅ 之間時，v _{s 1} 為低準位，v _{s 2} 為高準位，因此第一開關16截止，第二開關18導通，參考電流源22產生之參考電流對電容24進行放電，使v _x 以另一固定斜率下降。此時v _x 仍大於v _t ，因此反向器26在比較v _x 與v _t 後，係輸出電壓值V_d1 為低準位之第一數位訊號，反向器28接收此第一數位訊號後，係輸出電壓值V_d2 為高準位之第二數位訊號。另由於第二開關18與第二數位訊號之電壓值V_d2 都沒變動，因此邏輯控制器30係輸出電壓值v _p 為高準位之第三數位訊號。

在時間等於t₅ 時，v _{s 1} 為低準位，v _{s 2} 為高準位，因此第一開關16截止，第二開關18導通，參考電流對電容24進行放電。但此時v _x 等於v _t ，因此反向器26、28被觸發，由反向器26輸出之第一數位訊號之電壓值V_d1 從低準位提升為高準位，由反向器28輸出之第二數位訊號之電壓值V_d2 從高準位降至低準位。另由於第二開關18導通，且V_d2 從高準位降至低準位，因此由邏輯控制器30輸出之第三數位訊號之電壓值v _p ，從高準位降至低準位。

在從t₄ 到t₅ 的時間裡，計數器32係接收上述高準位之第三數位訊號與時脈訊號，並依據第三數位訊號之高準位輸出，從時脈訊號計算對應之時脈數，以產生對應之計數值，以作為數位輸出值。

由於當溫度愈高，溫度相依電流愈大，則t₁ 到t₃ 充電時的斜率亦愈高，t₃ 時之v _x 亦愈高，那麼在參考電流是固定的前提下，v _p 為高準位的時間T亦愈長，因為T正比其涵蓋的時脈數，因此計數值亦會愈高。本發明利用充電電流與放電電流之雙斜率架構，來實現溫度數位轉換，並同時達成高線性解析度的要求，以避免一般時域電路中延遲元件所產生的曲率效應。

從t₅ 之後，並在第一開關16再次導通前，邏輯控制器30必須控制重置開關30再次瞬時導通，以將v _x 恢復至V_ref ，以作為下一次電容24充電之起點電壓。

上述之觸發器係以反向器26、28為例，另外亦可以一比較器來作為觸發器，比較器之正輸入端連接電容24，負輸入端連接一作為觸發電壓之切換電壓v _t ，輸出端連接邏輯控制器30，比較器比較電容24之端電壓與切換電壓v _t ，以輸出上述之第二數位訊號，其電壓值為V_d2 。

綜上所述，本發明不但能達成高線性解析度的要求，更可達到小面積與低功耗等優點。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10．．．溫度相依感測器

12．．．參考源電路

14．．．類比至數位轉換器

16．．．第一開關

18．．．第二開關

20．．．溫度相依電流源

22．．．參考電流源

24．．．電容

26．．．反向器

28．．．反向器

30．．．邏輯控制器

32．．．計數器

34．．．重置開關

第1圖為先前技術之溫度感測裝置之電路方塊圖。

第2圖為本發明之電路方塊示意圖。

第3圖為本發明之各訊號波形圖。

16．．．第一開關

18．．．第二開關

20．．．溫度相依電流源

22．．．參考電流源

24．．．電容

26．．．反向器

28．．．反向器

30．．．邏輯控制器

32．．．計數器

34．．．重置開關

Claims (10)

1. 一種電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，包含：一第一開關；一第二開關，其係連接該第一開關，且該第一、第二開關受一組非重疊控制訊號控制；一溫度相依電流源，其係連接該第一開關，並產生一溫度相依電流；一參考電流源，其係連接該第二開關，並產生一參考電流；一電容，其一端連接該第一、第二開關，另一端連接一參考電壓，在該第一開關導通時，該溫度相依電流對該電容充電，在該第二開關導通時，該參考電流對該電容放電；至少一觸發器，其輸入端連接該第一、第二開關與該電容，並設有一觸發電壓，該觸發器比較該電容之端電壓與該觸發電壓，以輸出一第一數位訊號；一邏輯控制器，其連接該觸發器之輸出端與該第二開關，並接收該第一數位訊號，以根據該第二開關之開關狀態與該第一數位訊號，輸出一第二數位訊號；以及一時間至數位轉換器，其係在該參考電流對該電容放電時，且該第一數位訊號變動前，接收該第二數位訊號與一時脈訊號，並依據該第二數位訊號，從該時脈訊號計算對應之時脈數，以產生對應之數位輸出值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其中該觸發器之數量為一時，該觸發器為比較器，其正輸入端連接該電容，負輸入端連接一作為該觸發電壓之切換電壓，輸出端連接該邏輯控制器，該比較器比較該電容之端電壓與該切換電壓，以輸出該第一數位訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其中該觸發器之數量為二時，該二觸發器為二互相串聯之反向器，每一該反向器設有一作為該觸發電壓之切換電壓，其中一該反向器之輸入端連接該電容，並比較該電容之端電壓與該切換電壓，以輸出一第三數位訊號，另一該反向器之輸出端係連接該邏輯控制器，並接收該第三數位訊號，以比較該第三數位訊號與該切換電壓，進而輸出該第一數位訊號至該邏輯控制器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其中該第二開關截止時，該第二數位訊號為低準位之數位訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其中該第二開關從截止狀態轉換為導通狀態時，該第二數位訊號從低準位之數位訊號提升為高準位之數位訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其中該第二開關為導通狀態，且該第一數位訊號從高準位之數位訊號降至低準位之數位訊號時，該第二數位訊號從高準位之數位訊號降至低準位之數位訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其中該時間至數位轉換器係依據該第二數位訊號之高準位輸出，從該時脈訊號計算對應之該時脈數，以產生對應之該數位輸出值。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，更包含一重置開關，其係與該電容並聯，並連接該參考電壓與該邏輯控制器，在該溫度相依電流對該電容充電前與該時間至數位轉換器輸出該數位輸出值後，該邏輯控制器係瞬時導通該重置開關，以將該電容之端電壓控制在該參考電壓上。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其中該時間至數位轉換器為計數器，該計數器係依據該第二數位訊號之該直流準位，從該時脈訊號計算對應之該時脈數，以產生對應之計數值，並以此作為該數位輸出值。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電流式雙斜率溫度數位轉換裝置，其中該溫度相依電流源與該參考電流源皆為直流電流源。