一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器制造技术

本实用新型专利技术提出一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，所述温度传感器包括温度前端电路、ADC、时序产生电路；所述时序产生电路向温度前端电路动态匹配单元提供控制信号，并向ADC的采样保持电路提供非交叠时钟；所述温度前端电路与ADC相连并输出与温度正相关的电压ΔV

【技术实现步骤摘要】
一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器


[0001]本技术涉及电路
，尤其是一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器。

技术介绍

[0002]5G室内基站大范围部署后，万物互联互通成为可能，物联网成为继互联网之后划时代的兴起。对于物联网的硬件设备往往具有小体积、低功耗、低成本的要求，自然对于其组成部分之一的频率基准源也提出了相同的要求。
[0003]MEMS器件凭借小尺寸低成本的优势取代了主导了几十年的石英成为主流。其中薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)凭借其综合低功耗、低相位噪声、高输出频率、小体积等优势，成为最具潜力的频率基准源器件。
[0004]FBAR振荡器相比石英晶体振荡器具有多种优势，但是其温度稳定性不如石英晶体，因此要实现高温度灵敏度就必须引入温度传感器进行温度补偿。

技术实现思路

[0005]本技术提出一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，在满足低功耗、小体积的要求基础上，使用辅助电路分别提高测温精度和分辨率。满足了温度补偿电路对于高温度灵敏度的要求。
[0006]本技术采用以下技术方案。
[0007]一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，所述温度传感器包括温度前端电路、ADC、时序产生电路；所述时序产生电路向温度前端电路动态匹配单元提供控制信号，并向ADC的采样保持电路提供非交叠时钟；所述温度前端电路与ADC相连并输出与温度正相关的电压ΔV
BE
和与温度负相关的电压V
BE
，所述ADC根据温度前端电路提供的电压信息，向外部电路输出含温度信息的脉冲宽度调制信号。
[0008]所述ADC为12bit二阶Sigma
‑
Delta ADC。
[0009]所述温度传感器的温度前端电路包括预偏置电路、温度核心电路、动态匹配单元，所述预偏置电路、温度核心电路均采用动态匹配模块并在一个转换周期内对电流镜进行交换；
[0010]所述预偏置电路包括用于排除错误的潜在工作点以使温度前端电路快速进入正确工作状态的启动电路；当温度前端电路进入正确工作点后，启动电路自动关闭；
[0011]所述预偏置电路包括用于产生带电流增益补偿系数的偏置电流的电流增益补偿电阻R
β
。
[0012]所述电流镜由PMOS管M
P5
‑
M
P21
以及M
P22
‑
M
P37
构成；
[0013]所述ADC包括
±
ΔV
BE
、V
BE
选择开关电路、采样保持电路、两级积分器、动态比较器，并使用全差分的电路结构来减小偶次噪声；
[0014]所述启动电路由PMOS管M
P1
、M
P2
、NMOS管M
N1
、M
N2
、M
N3
构成，其中M
N3
用于排除错误的潜
在工作点，使温度前端电路快速进入正确工作状态；
[0015]所述预偏置电路包括两个三极管连接的衬底pnp晶体管Q
BL
和Q
BR
，还包括由PMOS管M
P5
‑
M
P21
构成的八个Cascode结构的电流源；所述预偏置电路的电流源为衬底pnp晶体管Q
BL
和Q
BR
提供比例为1:7的偏置电流比例。
[0016]一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器的工作方法，采用以上所述的低功耗温度传感器，用于向温度补偿FBAR振荡器补偿模块提供高精度和高分辨率的温度信息，所述温度传感器的动态匹配单元以交互式动态匹配方法，通过增设电流选择开关来交换预偏置电路、温度核心电路处的电流镜，来减小不同组电流镜之间的失配误差Δm/m，并形成可自关闭的快速启动电路以使温度前端电路进入正确工作点；所述温度前端电路预偏置电路通过偏置电阻R
b
以及运放钳位产生偏置电流，再通过温度核心电路产生包含温度信息的电压V
BE
和ΔV
BE
。
[0017]所述预偏置电路工作时，产生带有温度正相关的偏置电流I
PB
，用于减小V
BE
当中的温度非线性，再由温度核心电路产生ΔV
BE
、V
BE
输出至模数转换器ADC；
[0018]当预偏置电路产生带温度系数的偏置电流用于修正V
BE
的温度非线性时，所述的偏置电流I
Bias
大小为:
[0019][0020]其中k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；I
S
为三极管的饱和电流；
[0021]通过在Q
BR
的基极增加一个串联的电阻R
bias
/7使得偏置电流得到电流增益补偿系数，表达式为：
[0022][0023]解得新的偏置电流I
Bias
表达式为：
[0024][0025]其中β
F
是衬底寄生三极管的有限电流增益；
[0026]温度核心电路通过偏置电流产生V
BE
、ΔV
BE
，每条支路的基极
‑
发射极电压可表示为：
[0027][0028]其中m为预偏置电路和温度核心电路的电流比例，上述表达式基于理想的基极
‑
发射极电压模型且排除其它误差来源。
[0029]所述启动电路通过消除每条支路电流为零的情况来排除错误的潜在工作点，具体为，当在三极管Q
BR
处串联添加R
b
/7以引入新的工作点时，添加启动晶体管M
N3
，增大偏置电
流，降低运放输出电压，使所有电流源都工作在线性区域来使运放负极电压远大于正极电压，从而M
N3
导通以使运放输出电压增加，驱动温度前端电路工作在所需的工作点。
[0030]所述二阶Sigma
‑
Delta ADC将电压V
BE
和ΔV
BE
转换为一个数字温度读数，由前级电路产生的电压来生成数字输出Dout，其关于温度的精确函数的比例以公式表述为
[0031][0032]公式中，分子是与绝对温度成比例的电压，其中α为电压的放大倍数，而分母则是与温度无关的基准电压；
[0033]对比例系数进行缩放以获得以摄氏温度为输出的Dout，以公式表述为D
out
＝A
·
μ+B
ꢀꢀ
公式六；
[0034]其中A为(0,600)，B为(0,273)。
[0035]所述温度前端电路的电流镜采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，其特征在于：所述温度传感器包括温度前端电路、ADC、时序产生电路；所述时序产生电路向温度前端电路动态匹配单元提供控制信号，并向ADC的采样保持电路提供非交叠时钟；所述温度前端电路与ADC相连并输出与温度正相关的电压ΔV
BE
和与温度负相关的电压V
BE
，所述ADC根据温度前端电路提供的电压信息，向外部电路输出含温度信息的脉冲宽度调制信号。2. 根据权利要求1所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，其特征在于：所述ADC为12bit二阶Sigma
‑
Delta ADC。3.根据权利要求1所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，其特征在于：所述温度传感器的温度前端电路包括预偏置电路、温度核心电路、动态匹配单元，所述预偏置电路、温度核心电路均采用动态匹配模块并在一个转换周期内对电流镜进行交换。4.根据权利要求3所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，其特征在于：所述预偏置电路包括用于排除错误的潜在工作点以使温度前端电路快速进入正确工作状态的启动电路；当温度前端电路进入正确工作点后，启动电路自动关闭；所述预偏置电路包括用于产生带电流增益补偿系数的偏置电流的电流增益补偿电阻R
β
。5.根据权利要求3所述的一种应用于FBAR振荡器的低功耗温度传感器，其特征在于：所述电流镜由PMOS管M
P5
‑
M
P21
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄继伟，金靖，陈星，王科平，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：新型
国别省市：