数字温度信号产生装置及产生方法

摘要

本发明公开了一种数字温度信号产生装置及产生方法，其方法包括下列步骤。于一比较期间比较一温度检测电压以及一基准电压，以输出一比较电压。于一转换期间依据温度检测电压而输出一模拟温度电压。转换比较电压与模拟温度电压为一数字温度信号。本发明的数字温度信号产生装置，可提高数字温度信号的解析度，同时避免增加电路面积。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字温度信号产生装置及产生方法，且特别涉及一种可 增加数字温度信号解析度的数字温度信号产生装置及产生方法。

背景技术

在某些场合中，我们必须监控温度的变化。例如，在目前科技的发展趋 势中，中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理单元(Graphics  Processing Unit，GPU)以及其周边电路的操作频率不断的在提升，首当其冲 的问题即是工作时所散发出来的热量也就愈来愈多。为了确保上述的中央处 理器、图形处理单元以及其周边的集成电路(Integrated Circuit，IC)能够正 常工作而不至于因高温而烧毁，因此温度的监控已经变成一件非常重要的 事。

一般电子式的温度检测器都会利用模拟数字转换器来将所取得的模拟 温度信号转变为数字信号，然后再将此数字信号转换为数字式的测量结果 值。符合奈奎斯特定理(Nyquist Theorem)的模拟数字转换器如果要增加一位 元的解析度，势必要直接增加模拟数字转换器的解析度，或是利用数字信号 处理演算法做后端处理以增加解析度，前者会使模拟数字转换器面积与设计 难度大幅提升，后者需要时间与增加功率消耗才得以使用演算法增加解析 度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字温度信号产生装置，可提高数字温度信 号的解析度，同时避免增加电路面积。

本发明提出一种数字温度信号产生装置，包括一温度电压产生单元以及 一模拟数字转换单元。其中温度电压产生单元于一比较期间比较一温度检测 电压以及一基准电压，以输出一比较电压，并于一转换期间依据温度检测电 压而输出一模拟温度电压，其中温度检测电压关联于待测环境的温度，而基 准电压为温度检测电压于一预设温度时所对应的电压值。模拟数字转换单元 的信号输入端耦接该温度电压产生单元，转换比较电压与模拟温度电压为一 数字温度信号。

在本发明的一实施例中，上述的温度电压产生单元包括一第一运算放大 器、一第一电容、一第二电容以及第一开关至第七开关。其中第一运算放大 器的正输入端接收基准电压。第一电容的一端耦接第一运算放大器的负输入 端。第一开关的一端接收温度检测电压，另一端耦接第一电容的另一端。第 二开关耦接于第一电容与第一开关的共同接点与第一运算放大器的正输入 端之间。第三开关耦接于第一运算放大器的负输入端与第一运算放大器的输 出端之间。第四开关的一端耦接第一运算放大器的输出端。第二电容耦接于 第四开关的另一端与第一运算放大器的负输入端之间，其中第一电容的电容 值大于第二电容的电容值。第五开关耦接于第二电容与第四开关的共同接点 与模拟数字转换单元的参考电压输入端之间，其中模拟数字转换单元的参考 电压输入端接收一参考电压，参考电压指示模拟数字转换单元的信号输入端 所接收电压的上限值。第六开关耦接于第二电容与第四开关的共同接点与一 接地端之间。第七开关的一端接收温度检测电压，另一端耦接第一运算放大 器的负输入端。其中于比较期间，第一开关至第六开关为断开状态，而第七 开关为导通状态，转换期间包括一取样期间与一输出期间，于输出期间，第 二开关为导通状态，第一开关、第三开关至第六开关为断开状态，当温度检 测电压大于基准电压时，于取样期间第一开关、第三开关以及第六开关为导 通状态，第二开关、第四开关以及第五开关为断开状态，当温度检测电压小 于基准电压时，于取样期间第一开关、第三开关以及第五开关为导通状态， 第二开关、第四开关以及第六开关为断开状态。

在本发明的一实施例中，上述的数字温度信号产生装置，还包括一基准 电压产生单元，其耦接第一运算放大器的正输入端，用以产生基准电压。

在本发明的一实施例中，上述的第七开关于一校正期间为导通状态，基 准电压产生单元于校正期间将基准电压校正至温度检测电压于预设温度时 所对应的电压值。

在本发明的一实施例中，上述的数字温度信号产生装置，还包括一放大 器电路，其耦接模拟数字转换单元的参考电压输入端，接收一能隙电压，并 放大能隙电压而输出参考电压。

在本发明的一实施例中，上述的放大器电路包括一第二运算放大器、一 第一电阻以及一第二电阻。其中第二运算放大器的正输入端接收能隙电压， 第二运算放大器的输出端耦接模拟数字转换单元的参考电压输入端。第一电 阻耦接于第二运算放大器的负输入端与第二运算放大器的输出端之间。第二 电阻耦接于第二运算放大器的负输入端与接地端之间。

在本发明的一实施例中，上述的数字温度信号产生装置，还包括能隙电 压产生单元，其耦接放大器电路，用以产生能隙电压。

在本发明的一实施例中，上述的放大器电路还包括一第八开关，其耦接 于第二运算放大器的负输入端与第二运算放大器的输出端之间，于一校正期 间为导通状态，能隙电压产生单元于校正期间将能隙电压校正至对温度的敏 感度较低的电压值。

在本发明的一实施例中，上述的数字温度信号产生装置，还包括温度检 测单元，其耦接温度电压产生单元，用以输出温度检测电压。

本发明还提出一种数字温度信号的产生方法，包括下列步骤。于一比较 期间比较一温度检测电压以及一基准电压，以输出一比较电压，其中温度检 测电压关联于待测环境的温度，而基准电压为温度检测电压于一预设温度时 所对应的电压值。于一转换期间依据温度检测电压而输出一模拟温度电压。 转换比较电压与模拟温度电压为一数字温度信号。

在本发明的一实施例中，上述的数字温度信号的产生方法，还包括下列 步骤。将能隙电压校正至对温度的敏感度较低的电压值。将基准电压校正至 温度检测电压于预设温度时所对应的电压值。

基于上述，本发明通过温度电压产生单元产生的比较电压来提供额外的 最高有效位元，以使数字温度信号产生装置在不增加电路面积的情形下提高 数字温度信号的解析度。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合 所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的数字温度信号产生装置的示意图。

图2为本发明另一实施例的数字温度信号产生装置的示意图。

图3为本发明一实施例的温度检测电压的示意图。

图4为本发明另一实施例的温度检测电压的示意图。

图5为本发明另一实施例的数字温度信号产生装置的示意图。

图6为本发明一实施例的数字温度信号的产生方法。

图7为本发明另一实施例的数字温度信号的产生方法。

其中，附图标记说明如下：

102：温度电压产生单元    104：模拟数字转换单元

202、510：运算放大器     502：基准电压产生单元

504：放大器电路          506：能隙电压产生单元

508：温度检测单元        Tin：信号输入端

Tf：参考电压输入端       Vtp、Vtp1、Vtp2：温度检测电压

Vs：基准电压             Vc：比较电压

Vta：模拟温度电压        Vtd：数字温度信号

C1、C2：电容             SW1～SW8：开关

Vrefp：参考电压          VC1、VC2：电容上的跨压

VBG：能隙电压            R1、R2：电阻

100、200、500：数字温度信号产生装置

S602～S606、S702～S704：数字温度信号产生方法的步骤。

具体实施方式

图1为本发明一实施例的数字温度信号产生装置的示意图。请参照图1， 数字温度信号产生装置100包括一温度电压产生单元102与一模拟数字转换 单元104。其中温度电压产生单元102耦接模拟数字转换单元104的一信号 输入端Tin。温度电压产生单元102于一比较期间比较一温度检测电压Vtp 以及一基准电压Vs，以输出一比较电压Vc，并于一转换期间依据温度检测 电压Vtp输出一模拟温度电压Vta。其中，温度检测电压Vtp关联于待测环 境的温度，而基准电压Vs为温度检测电压Vtp于一预设温度时所对应的电 压值。模拟数字转换单元104则转换比较电压Vc与模拟温度电压为Vta为 一数字温度信号Vtd，以供给后级的显示电路进行温度显示。

举例来说，假设数字温度信号产生装置100的应用环境温度为-40℃～90 ℃，可设计基准电压Vs为温度检测电压Vtp于25℃(也即设计预设温度等于 25℃)时所对应的电压值。温度电压产生单元102在比较期间比较其所接收的 温度检测电压Vtp以及基准电压Vs，此比较电压Vc经由模拟数字转换单元 104转换后成为数字温度信号Vtd的最高有效位元(Most Significant Bit， MSB)。另外，在转换期间温度电压产生单元102依据温度检测电压Vtp所 输出的模拟温度电压Vta，则可被转换为数字温度信号Vtd的其它剩余位元。 在部分实施例中，为使模拟数字转换单元104可精确地判断出待测环境的温 度变化，可使温度电压产生单元102将温度检测电压Vtp放大后做为模拟温 度电压Vta输出。

如上所述，通过将温度检测电压Vtp以及基准电压Vs进行比较，即可 得到一额外的最高有效位元，进而在不需改变模拟数字转换单元104的电路 设计的情形下，提高模拟数字转换单元104的解析度，以节省电路面积与生 产成本。

图2为本发明另一实施例的数字温度信号产生装置的示意图。详细来说 图1的数字温度信号产生装置100可以图2的数字温度信号产生装置200的 方式来实施。在本实施例中，温度电压产生单元102包括一运算放大器202、 电容C1、C2以及开关SW1～SW7。其中电容C2小于电容C1，在本实施例 中电容C1的电容值为电容C2的K倍。运算放大器202的正输入端接收基 准电压Vs，输出端则耦接模拟数字转换单元104的信号输入端。电容C1的 一端耦接运算放大器202的负输入端，另一端则耦接开关SW1的一端，开 关SW1的另一端接收温度检测电压Vtp。开关SW2耦接于电容C1与开关 SW1的共同接点与运算放大器202的正输入端之间。开关SW3耦接于运算 放大器202的负输入端与运算放大器202的输出端之间。开关SW4的一端 耦接运算放大器202的输出端，开关SW4的另一端耦接电容C2的一端，电 容C2的另一端则耦接运算放大器202的负输入端。开关SW5耦接于电容 C2与开关SW4的共同接点与模拟数字转换单元104的参考电压输入端Tf 之间。其中模拟数字转换单元104的参考电压输入端Tf接收一参考电压 Vrefp，参考电压Vrefp指示模拟数字转换单元104的信号输入端所接收电压 的上限值。开关SW6耦接于电容C2与开关SW4的共同接点与接地端之间。 开关SW7的一端接收温度检测电压Vtp，开关SW7的另一端则耦接运算放 大器202的负输入端。

当数字温度信号产生装置200处于比较期间时，开关SW1～SW6为断开 状态，而开关SW7为导通状态。如此一来，运算放大器202便可通过SW7 将温度检测电压Vtp与基准电压Vs进行比较，而模拟数字转换单元104则 可依据运算放大器202输出的比较结果来产生一最高有效位元。其中当温度 检测电压Vtp大于基准电压Vs(也即待测环境的温度大于25℃)时，最高有效 位元为″1″，而当温度检测电压Vtp小于基准电压Vs(也即待测环境的温度小 于25℃)时，最高有效位元为″0″。

在比较完温度检测电压Vtp与基准电压Vs后，数字温度信号产生装置 200进入转换期间，其中转换期间包括取样期间与输出期间。随着运算放大 器202输出的比较结果的不同，开关SW1～SW7在取样期间的导通状态将略 有不同。举例来说，当温度检测电压Vtp大于基准电压Vs时，于取样期间 开关SW1、SW3以及SW6为导通状态，而开关SW2、SW4、SW5以及SW7 则为断开状态。此时电容C1与电容C2上的跨压VC1与VC2可分别如下列 公式所示：

VC1＝Vtp-Vs  (1)

VC2＝-Vs     (2)

而当数字温度信号产生装置200处于输出期间时，开关SW2以及SW4 为导通状态，而开关SW1、SW3、SW5、SW6以及SW7则为断开状态。此 时电容C1与电容C2上的跨压VC1与VC2以及运算放大器202输出的模拟 温度电压为Vta可分别如下列公式所示：

VC1＝0                    (3)

VC2＝-Vs+(Vtp-Vs)C1/C2    (4)

Vta＝(Vtp-Vs)C1/C2        (5)

模拟数字转换单元104接收到模拟温度电压为Vta后，对其进行模拟数 字转换，以得到数字温度信号Vtd的其它剩余位元。其中电容C1的电容值 为电容C2的K倍，也即模拟温度电压为Vta为(Vtp-Vs)的K倍。如此将温 度检测电压Vtp与基准电压Vs的差值放大K倍后，再将其输出至模拟数字 转换单元104进行模拟数字转换，可使模拟数字转换单元104的转换结果更 加精确。

相对地，当温度检测电压Vtp小于基准电压Vs时，于取样期间开关SW1、 SW3以及SW5为导通状态，而开关SW2、SW4、SW6以及SW7则为断开 状态。此时电容C1与电容C2上的跨压VC1与VC2可分别如下列公式所示：

VC1＝Vtp-Vs          (6)

VC2＝Vrefp-Vs        (7)

而当温度检测电压Vtp小于基准电压Vs，且数字温度信号产生装置200 处于输出期间时，开关SW1～SW7的导通状态与温度检测电压Vtp大于基准 电压Vs，且数字温度信号产生装置200处于输出期间时开关SW1～SW7的导 通状态相同。此时电容C1与电容C2上的跨压VC1与VC2以及运算放大器 202输出的模拟温度电压为Vta可分别如下列公式所示：

VC1＝0                         (8)

VC2＝Vrefp-Vs+(Vtp-Vs)C1/C2    (9)

Vta＝Vrefp+(Vtp-Vs)C1/C2       (10)

类似地，模拟数字转换单元104依据运算放大器202在转换期间所输出 的模拟温度电压为Vta来转换数字温度信号Vtd中的剩余位元。

如图3的温度检测电压Vtp的示意图所示，其中线段Vtp1为温度检测 电压Vtp被放大之前所对应的的温度对电压变化曲线，而线段Vtp2为温度 检测电压Vtp被放大之后所对应的的温度对电压变化曲线。其中线段Vtp2 大于25℃之后的线段被下拉了相当于参考电压Vrefp的电压值，模拟数字转 换单元104在待测环境小于25℃时，为针对小于25℃的线段Vtp2(最大有效 位元为″0″)进行模拟数字转换，而在待测环境大于25℃时，为针对大于25 ℃的线段Vtp2(最大有效位元为″1″)进行模拟数字转换。

假设模拟数字转换单元104为一解析度12位元的模拟数字转换器，通 过比较温度检测电压Vtp与基准电压Vs所得的最高有效位元，加上转换放 大温度检测电压Vtp后所得的剩余位元，即可得到具有13位元解析度的数 字温度信号Vtd。如此便可在不增加电路面积的情形下增加模拟数字转换单 元104的解析度，进而节省电路面积与生产成本。如图3所示，在90℃时数 字温度信号Vtd可表示为″1FFF″，在25℃时数字温度信号Vtd可表示为 ″1000″，而在-45℃时数字温度信号Vtd则可表示为″0000″。

值得注意的是，在其它实施例中，也可通过调整基准电压Vs并于比较 期间反复比较温度检测电压Vtp与调整过后的基准电压Vs，来增加模拟数字 转换单元104的解析度。如图4的另一温度检测电压Vtp的示意图所示，可 调整基准电压Vs为对应-7.5℃、25℃以及57.5℃的电压值，通过调整基准电 压Vs，即可将模拟数字转换单元104的解析度增加至14位元。其详细的电 路作动类似于上述实施例，本领域具通常知识者应可通过上述实施例推知， 因此不再赘述。

图5为本发明另一实施例的数字温度信号产生装置的示意图。请参照图 5，本实施例的数字温度信号产生装置500与图2的数字温度信号产生装置 200的不同之处在于，数字温度信号产生装置500还包括一基准电压产生单 元502、一放大器电路504、一能隙电压产生单元506以及一温度检测单元 508。其中基准电压产生单元502耦接运算放大器202的正输入端，用以产 生基准电压Vs。能隙电压产生单元506耦接放大器电路504，用以产生一能 隙电压VBG。放大器电路504耦接模拟数字转换单元104的参考电压输入端 Tf，用以放大能隙电压VBG而输出参考电压Vrefp。温度检测单元508耦接 温度电压产生单元102，用以检测待测环境的温度而输出温度检测电压Vtp。

详细来说，本实施例的放大器电路504包括一运算放大器510、电阻R1、 R2以及开关SW8。其中运算放大器510的正输入端接收能隙电压VBG，输 出端耦接模拟数字转换单元104的参考电压输入端Tf。电阻R1耦接于运算 放大器510的负输入端与输出端之间，电阻R2耦接于运算放大器500的负 输入端与接地端之间。开关SW8耦接于运算放大器510的负输入端与输出 端之间。

为了使数字温度信号产生装置500可提供准确的数字温度信号Vtd，在 进行上述温度电压产生单元102有关比较期间与转换期间的电路作动前，必 须先校正基准电压产生单元502所提供的基准电压Vs，以及能隙电压产生单 元506所提供的能隙电压VBG。

当数字温度信号产生装置500处于校正期间时，可将数字温度信号产生 装置500放置于保持在预设温度的环境，以将基准电压Vs校正至温度检测 电压Vtp于预设温度时所对应的电压值。此时开关SW7为导通状态，而开 关SW1～SW6皆为断开状态。如此一来，于预设温度所对应的温度检测电压 Vtp即可通过开关SW7耦接至运算放大器202的负输入端，而与基准电压产 生单元502所提供的基准电压Vs进行比较。基准电压产生单元502可依据 运算放大器202的输出结果来调整输出的基准电压Vs，以将基准电压Vs调 整至与预设温度所对应的温度检测电压Vtp。基准电压产生单元502可例如 以一数字模拟转换器来实施。当基准电压产生单元502将基准电压Vs调整 至与预设温度所对应的温度检测电压Vtp相等时，基准电压产生单元502便 记忆并保持此时所输出的基准电压Vs的电压值。

另一方面，在数字温度信号产生装置500处于校正期间时，也可进行能 隙电压VBG的校正。当进行能隙电压VBG的校正时，放大器电路504中的 开关SW8为导通状态，通过检测运算放大器510输出端的电压，而将能隙 电压VBG调整至对温度敏感度较低的电压值。值得注意的是，当数字温度 信号产生装置500非处于校正期间时，开关SW8为断开的状态，此时放大 器电路504用以放大能隙电压VBG，以提供一电压值较大的参考电压Vrefp 给模拟数字转换单元104的参考电压输入端Tf。

以下对将能隙电压VBG调整至对温度敏感度较低的电压值所采用的方 法进行说明：

现有技术中，能隙电压产生电路是由一个与温度成正比的电压源及一个 与温度成反比的电压源所组成，能隙电压产生电路的输出电压Vref＝VEB+ K*Vt。其中，与温度正相关的电压Vt的温度系数为+0.08625mV/℃，即温度 每提高一度Vt上升0.08625mV；与温度负相关的电压VEB的温度系数为 -2.2mV/℃，即温度每提高一度VEB下降2.2mV；由于VEB与Vt比例不同， 输出电压Vref对温度的敏感度也不同，当k＝25.51时，输出电压Vref对温 度敏感度最低，将不随温度而改变。

于本案中，能隙电压VBG是由与温度正相关的电压和温度负相关的电 压相加所得。由于无法调整与温度正相关的电压，因此会调整与温度负相关 的电压。调整与温度负相关的电压时，能隙电压VGB也会相应变动。因此， 将与温度负相关的电压进行适当的调整，利用温度负相关的电压与温度正相 关的电压来相互补偿，使与温度负相关的电压值能尽量与温度正相关的值相 抵销，就能够将能隙电压VBG调整至对温度敏感度最低的一临界电压值。

本案中将能隙电压VBG调整至对温度敏感度较低的电压值，即将能隙 电压VBG的电压值调整至与该临界电压值的差值小于一预设值，使能隙电 压VBG的温度敏感度最低或接近于最低。

图6为本发明一实施例的数字温度信号的产生方法。请参照图6，综上 所述，数字温度信号产生装置产生数字温度信号的方法可包括下列步骤。首 先，于一比较期间比较一温度检测电压以及一基准电压，以输出一比较电压 (步骤S602)。其中温度检测电压关联于待测环境的温度，而基准电压为温度 检测电压于一预设温度时所对应的电压值。接着，于一转换期间依据温度检 测电压而输出一模拟温度电压(步骤S604)。例如可将温度检测电压放大后做 为模拟温度电压输出，以提高使模拟数字转换结果的精确度。最后，转换比 较电压与模拟温度电压为一数字温度信号(步骤S604)。如此通过比较温度检 测电压以及基准电压所产生的比较电压来提供额外的最高有效位元，即可使 数字温度信号产生装置在不增加电路面积的情形下提高数字温度信号的解 析度。

图7为本发明另一实施例的数字温度信号的产生方法。请参照图7，本 实施例的数字温度信号的产生方法与图6的数字温度信号的产生方法的不同 之处在于，本实施例的数字温度信号的产生方法在步骤S602之前，还对能 隙电压与基准电压进行校正，以确保数字温度信号的精确度。图7的数字温 度信号的产生方法包括下列步骤。首先，将能隙电压校正至对温度的敏感度 较低的电压值(步骤S702)。接着，将基准电压校正至温度检测电压于预设温 度时所对应的电压值(步骤S702)。之后，再依序执行步骤S602～S602，便可 得到一准确的数字温度信号。

综上所述，本发明通过温度电压产生单元产生的比较电压来提供额外的 最高有效位元，以使数字温度信号产生装置在不增加电路面积的情形下提高 数字温度信号的解析度。在部分实施例中，还可通过先校正能隙电压与基准 电压，再进行温度检测电压的模拟数字转换，以确保数字温度信号的精确度。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属 技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许 的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为 准。