温度传感器装置、光传感器装置、包括所述装置的移动计算设备以及使用所述装置的方法

技术领域

本公开涉及一种温度传感器装置。具体地，本公开涉及一种温度传感器装置，其包括电流积分调制器和用于生成取决于温度的电流的温度敏感元件。本公开还涉及一种光传感器装置，其包括温度传感器装置和用于生成待测量的光电流的光电二极管。本公开还涉及一种包括光传感器装置的移动计算设备。本公开还涉及一种测量温度的方法并且涉及一种测量环境光的方法，所述测量环境光的方法包括测量温度的方法。

背景技术

温度传感器广泛用于电子设备中，以测量温度并根据所确定的温度来控制设备的运行。温度传感器生成取决于温度并随着温度的变化而改变的信号(诸如温度相关的电流)。温度相关的电流可以是与绝对温度(IPTAT)成比例的电流。将温度相关的电流转换成数字信号，该数字信号可以进一步用于控制电子设备或者用于从设备中输出以显示出来或者可用于控制其它设备。可以由执行电流积分调制过程的模数调制器来执行电流数字转换。温度测量能够与诸如环境光的其他物理实体的测量相结合，从而共享相同的电流积分调制器电路。美国专利US 9,146,162 B2中描述了一种组合的环境光和温度传感器。

使用电流积分调制器和IPTAT温度相关的电流源来进行的温度测量可以为许多技术应用提供足够的精度。然而，用于IPTAT的制造工艺受制于固有的工艺变化，使得所制造的温度传感器装置可能需要大量的校准处理或者所确定的温度值可能不太精确。此外，温度测量电路的操作温度可能会引入难以补偿的附加变化。

本公开的一个目的是提供一种避免上述缺点的温度传感器装置。

本公开的另一目的是提供一种更精确地测量温度的温度传感器装置。

本公开的又一目的是提供一种能够以相对较低的费用来精确地测量温度的温度传感器装置。

本公开的又一目的是提供一种更精确地操作的光传感器装置。

本公开的又一目的是提供一种包括光传感器装置和温度传感器装置的移动计算设备。

本公开的又一目的是提供操作温度传感器装置和光传感器装置的方法。

发明内容

根据本公开，通过根据本发明权利要求1的特征的温度传感器装置来实现上述目的中的一个或更多个。

根据一个实施例，温度传感器装置包括电流积分调制器，该电流积分调制器具有用于接收输入电流的输入端子和用于提供计数值的输出端子，该计数值取决于供应到所述输入端子的输入电流。电流积分调制器通过使用积分调制过程来执行将模拟电流转换为数字信号的模数转换。电流积分调制器将输入电流积分到积分电容器上。当电容器电荷或电压超过了阈值时，从触发计数器的积分电容器中减去基准电荷。在预定时间窗口期间继续进行该积分操作。在时间窗口内发生的减去事件和计数事件都指示了输入电流的量。

温度敏感元件生成了取决于温度的电流，其中，升高的温度生成了增大的电流。实际上，电流可能与绝对温度成比例或者基本成比例。温度敏感元件可以包括电子组件(诸如晶体管)和确定电流的至少一个电阻器。

根据本公开，设置了另一电阻器。设置了相应的第一开关和第二开关，其将温度敏感元件和该另一电阻器连接到电流积分调制器的输入端子。该开关确定了只有温度敏感元件和另一电阻器之一向调制器输入端子提供电流。第一开关和第二开关交替操作，以使得将来自温度敏感元件的电流或者将来自另一电阻器的电流输入到电流积分调制器的输入端子。

在常规温度传感器装置中，事实证明，温度敏感元件中的电阻器的值会受到制造工艺变化的影响。事实上，在半导体电路制造中难以生产出具有精确的绝对电阻值的电阻器。集成电路制造期间的工艺变化会导致所制造电阻器的电阻发生相对大范围的变化。类似的情况也适用于电容器，并且因此适用于集成电路上所使用的振荡器的频率，尤其是当该振荡器是设置在半导体芯片上的RC振荡器时。此外，集成电路内元件的参数表现出温度漂移，使得其绝对值会随温度变化而变化。

根据本公开，温度传感器装置包括温度敏感元件中的电阻器和平行于该温度敏感元件来设置的另一电阻器。根据集成电路制造的原理，直接生产具有匹配电阻值的电阻器是很简单的。尽管其绝对电阻值可能会根据工艺的变化而变化，但其电阻值的相对关系可以得到相当精确的控制。因此，能够很好地控制根据本公开的在同一集成电路中实现或者设置在同一集成电路上的电阻器和另一电阻器的电阻值的比率。根据本公开的装置确定了来自温度敏感元件(包括电阻器)的计数值以及来自另一电阻器的另一计数值，并且从这两个计数值的比率度量测量中得出了表示绝对温度的数字值。因为当两个电阻器定位在同一集成电路上时的所述两个电阻器的温度特性相同，所以温度漂移也被该比率度量测量所消除。

根据一个实施例，另一电阻器和温度敏感元件的电阻器优选地具有相同的电阻。即使在集成的电路制造期间不可避免地存在工艺变化，但生成具有相同电阻的两个电阻器也是相对简单的，这是因为当使用相同的制造步骤在相同的制造工艺中制造电阻器时，电阻器的相对匹配相对较好。

根据一个实施例，另一电阻器和温度敏感元件的电阻器可以同时制造，以使得它们设置在同一集成电路上并受益于在同一制造工艺期间制造的电阻器的匹配。通常，使用不同电阻的电阻器是可以接受的，前提是它们是在同一集成电路上制造的并且该电阻器与该另一电阻器之间的比率是已知的。在同一集成电路上制造电阻器意味着使用相同的工艺步骤来同时制造该电阻器和该另一电阻器。由于同一集成电路上不同电阻器的匹配相对较好，所以在比率度量测量期间消除了电阻器值的绝对变化的影响。通常，电阻器可以具有电阻值的任何预定关系，这种关系包括相同电阻或电阻的整数倍或电路设计者已知并确定的电阻的任何其他比率。温度敏感元件中的电阻器与该另一电阻器的电阻值比率可以包括1：1、1：2、…、1：N，其中N是整数或实数。温度敏感元件的电阻器的电阻可以大于该另一电阻器的电阻，或者也可以小于该另一电阻器的电阻，这取决于电路设计者的选择。

根据一个实施例，温度敏感元件通过第一开关来连接到电流积分调制器的输入端子，并且该另一电阻器通过第二开关来连接到电流积分调制器的输入端子。将第一开关和第二开关控制为交替地导通。当温度敏感元件连接到电流积分调制器的输入端子时，该另一电阻器从该输入端子中断开连接，反之亦然。电流积分调制器获得由温度敏感元件所供应的电流的计数值和由该另一电阻器所供应的电流的另一计数值。从所获得的两个计数值中得出代表绝对温度的数字信号。由于温度敏感元件包括了与该另一电阻器相匹配的电阻器，因此，尽管工艺变化会导致绝对电阻值变化，但仍能在同一集成电路上的电阻器之间具有良好的相对匹配，从而从最终数字温度值中消除工艺变化。

根据一个实施例，计算器连接在电流积分调制器的下游。计算器从计数值中生成代表温度的值，该计数值通过电流积分调制器从温度敏感元件以及从另一电阻器生成。计算器可以与包括电流积分调制器的温度传感器装置集成在同一集成电路上。计算器也可以由微处理器来实现，在这种情况下，微处理器可以从含有温度传感器和调制器的芯片中分离出来。计算器可以执行计算，该计算从比率度量测量确定代表绝对温度的数字值，该比率度量测量传递了来自绝对温度传感器和该另一电阻器的调制结果的计数值的比率。根据一个实施例，该计算可以包括线性回归，该线性回归假设了计数值比率与温度之间的线性关系。其他二阶或更高阶关系也可能有用。

根据一个实施例，温度敏感元件可以包括带隙电路，该带隙电路包含至少两个电路路径，其中一个电路路径包括晶体管和电阻器，另一个电路路径包括另一晶体管。晶体管可以具有不同的尺寸，具体地，不同的集电极宽度使得晶体管供应不同的电流。尺寸上的差异可以非常大，诸如N:1，其中连接到电阻器的晶体管的集电极宽度为N，且另一晶体管的集电极宽度为1。放大器的输入连接到带隙设备的两个电路路径，并且放大器的输出控制电流镜电路，该电流镜电路向电流积分调制器的输入供应电流。电流镜的输出路径耦合到电流积分调制器的输入端子。从带隙设备路径中的不同电压中调节电流的带隙设备和放大器的组合生成了与绝对温度基本成比例的电流，即生成了与绝对温度(IPTAT)设备成比例的电流。

根据一个实施例，生成了IPTAT电流的温度敏感元件的输出路径包含MOS晶体管，该MOS晶体管具有漏源路径，该漏源路径与连接到电流积分调制器输入端子的第一开关进行串联连接。与温度敏感元件并联操作的另一电阻器与连接到电流积分调制器的输入端子的第二开关形成串联连接。因此，MOS晶体管与第一开关的串联连接以及另一电阻器与第二开关的串联连接是彼此并联连接的。将该并联连接与电流积分调制器的输入端子连接并且与地电势连接。与电路的其余部分相比，另一电阻器和第二开关的附加消耗几乎可以忽略不计。与精度的提高相比，在集成电路中实现所需的面积非常小。电阻器所消耗的附加操作功率和相对应的电流积分调制过程是合理的。因此，通过比率度量测量的精度提高是通过在集成电路上的几乎可忽略不计的半导体面积实现的，并且用于(另一电阻器的和下游连接的计算器的)电流的附加测量只需要合理功耗。

根据一个实施例，电流积分调制器可以是一阶积分调制器。高阶调制器也很有用。一阶电流积分调制器包含积分放大器和积分电容器，该积分电容器连接了放大器的输入之一和输出，以形成模拟积分器。比较器被连接在积分放大器的下游或连接到积分放大器的输出。比较器将积分器输出与阈值电压进行比较。比较器输出驱动了连接在比较器下游的锁存器。锁存器以所确定的振荡频率来操作，该振荡频率可以在兆赫范围内，如2MHz。振荡频率可以由片上RC振荡器来提供，以使得振荡频率可随工艺变化而变化并且可表现出温度漂移。利用如上所述的比率度量测量，消除了振荡频率的变化。控制器生成了多个控制信号以操作调制器内的开关，所述开关包括第一开关和第二开关，以将温度敏感元件和另一电阻器分别连接到调制器输入。控制器响应于来自锁存器的输出信号来生成控制信号。

根据一个实施例，温度传感器装置可以用于环境光传感器中，该环境光传感器包括光电二极管以生成取决于环境光的电流。将环境光有关的电流输入到操作温度传感器装置的同一电流积分调制器。因此，环境光和温度的组合测量使用了基本相同的元件，诸如同一电流积分调制器。在环境光传感器集成电路上具有根据本公开的精确的温度传感器，这允许了对积分放大器的偏移进行补偿，在没有光信号输入到调制器时，该偏移会导致存在积分器的暗电流。在操作中，可以在环境光测量之前进行温度测量，以执行积分放大器输入的偏移校准或自动调零。由于积分放大器的偏移电压取决于温度，所以精确的温度测量可以改善积分放大器的偏移补偿以及改善自动调零。优选地，在自动调零处理和环境光测量的每个周期之前进行温度测量。由于精确的自动调零程序几乎不需要在集成电路上增加任何实现空间，并且仅有非常适度的附加功耗，因此根据本公开的组合温度和环境光传感器电路提供了精确的温度测量和精确的环境光测量。

根据一个实施例，包括温度传感器的环境光传感器的应用领域在于移动计算领域，该移动计算领域包括诸如智能手机和平板电脑的移动通信设备。将根据本公开的光传感器装置包括在移动通信设备中，以测量环境光并控制计算设备(如智能手机和平板电脑)的显示屏幕的亮度，以向用户提供方便的显示器外观。如果所测量的环境光量较高，则移动计算设备的显示屏幕的亮度增大；如果所测量的光量较低，则显示屏幕的亮度降低。这增大了用户对设备的可用性，并且如上所述，只需要适度的附加费用。

上述目的中的一个或更多个也分别通过根据权利要求12和13的特征的测量温度的方法或者测量环境光的方法来实现。

根据一个实施例，一种测量温度的方法包含使用电阻器生成取决于温度的电流，以通过电流积分调制过程来确定计数值。通过另一电阻器来生成另一电流，以通过另一电流积分调制过程来确定另一计数值。所生成的计数值用于确定指示了温度的值。

根据一个实施例，通过使用了积分放大器的电流积分调制过程来执行温度测量过程。该积分放大器固有地具有偏移，当光电二极管处不存在光时，该偏移导致暗电流通过积分器。积分放大器的偏移补偿是通过使用温度测量来执行的。然后，生成了响应于由光电二极管所接收的环境光来产生的光电流，并且通过使用积分放大器(其采用精确的温度测量进行了偏移补偿)来将该光电流输入到电流积分调制过程。电流积分调制过程生成了表示所接收环境光的计数值，由于基于精确的温度测量的增强偏移补偿，因此该计数值具有增强的精度。

应当理解，上述一般性描述和以下详细描述都仅是示例性的，并且旨在提供概述或框架以理解权利要求的性质和特征。附图是为了提供进一步的理解，并被包含在本说明中并且构成了本说明的一部分。附图示出了一个或更多个实施例，并且与说明书一起用于解释各种实施例的原理和操作。附图中不同图形中的相同元素用相同的附图标记来表示。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本公开原理的组合的温度和环境光传感器装置的详细电路图；

图2示出了包括了图1中电路的移动计算设备的框图；以及

图3示出了测量环境光的方法的流程图，所述测量环境光的方法包括测量温度的方法。

具体实施方式

下文将参照示出了本公开的实施例的附图来更全面地描述本公开。然而，本公开可以以许多不同的形式来实施，并且不应解释为限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将向本领域技术人员充分地传达本公开的范围。附图不一定是按比例绘制的，而是将其配置为清楚地示出本公开。

图1中的组合的环境光传感器(ALS)和温度传感器装置包括了电流积分调制器10、温度传感器装置20、电阻器40和光电二极管50。电流积分调制器10包含输入端子11，待积分的电流被供应到该输入端子。该端子11被连接到运算放大器OPAMP的输入。放大器OPAMP配置为积分器，其中积分电容器CF被连接在其负输入“-”与其输出端子12之间。放大器OPAMP的负输入端子携带了存在于积分器的求和节点13处的积分电压Vforce。放大器OPAMP的正输入“+”被供应有基准电压VCM。放大器OPAMP的输出13驱动了积分电容器CF，以实现Vforce＝VCM+/-Voffset，其中Voffset是运算放大器OPAMP的偏移电压。

运算放大器OPAMP的输出端子12被连接到比较器COMP的正输入“+”。比较器COMP的基准输入或负输入“-”被供应有基准电压VREF。比较器COMP的输出14是锁存器15的数据输入，该锁存器由时钟信号CLK1进行控制。时钟信号可以通过振荡频率为约2MHz的RC振荡器被生成在芯片上。锁存器15的输出Q携带了信号LOUT并控制了计数器16的时钟输入Clk。

锁存器输出信号LOUT还供应到控制器17。控制器17生成控制信号以操作调制器10，该调制器10包括了相对应的控制逻辑和电路，以生成在电路中使用的几个时钟Φ1、Φ2、Φ3、Φ4、Φ5。

输入节点11还连接到利用基准电压VREF来进行充电的基准电容器CREF。在设备的操作期间，将连接到该基准电容器CREF的开关被控制为使得当运算放大器OPAMP的输出信号OPOUT在比较器COMP处超过阈值VREF时，从积分电容器CF中减去基准电荷。在预定的积分时间窗口期间，在计数器16中对从积分电容器CF中减去的来自基准电容器CREF的基准电荷包的数目进行计数，并在计数器16的输出18处将所述基准电荷包的数目供应为计数值ADC_COUNT。该计数值ADC_COUNT代表了供应到输入11的电流量。

温度传感器装置20在端子21处供应与绝对温度IPTAT成比例的电流。端子21通过由控制信号Φ4进行控制的开关31来连接到调制器10的输入端子11。温度传感器装置20包括带隙设备，该带隙设备由作为二极管设备进行连接的两个双极PNP晶体管221、222组成，其中晶体管221、222的集电极端子和基极端子彼此连接。晶体管尺寸的关系(即晶体管221、222的集电极宽度的关系)为N：1，以使得晶体管221驱动N倍于晶体管222的电流。晶体管221的发射极连接到电阻器223。电阻器222的发射极路径不包括电阻器。晶体管221、222和电阻器223形成带隙设备。

温度传感器20包括放大器230，该放大器的输入连接到电阻器223和晶体管222的集电极。放大器230对连接到双极晶体管221、222电路路径的PMOS晶体管241、242进行控制。此外，放大器230的输出对晶体管251进行控制，该晶体管将通过电流镜252、253进行镜像的电流供应到温度传感器电路20的输出21。基本上，放大器230生成输出电压V

在测量了温度相关的电流IPTAT之后，通过控制信号Φ3来断开开关31并闭合开关32，以使得通过电阻器40对电流进行测量，从而为通过电阻器40的电流提供另一计数值ADC_COUNT。应当注意，将电阻器223和40制造为使得它们具有相匹配的电阻值。例如，电阻器223和40可以具有同一电阻值R。这是通过在相同的制造工艺中使用相同的工艺步骤来制造电阻器223和40来实现的，其中电阻器223和40被设置在同一集成电路芯片上。对于半导体电路制造领域的技术人员来说显而易见的是，能够容易地实现相异的欧姆电阻器之间的预定匹配因子。实际上，电阻器223、40可以具有同一电阻值R。将电阻器223、40制造为使其具有已知的电阻值比率也是可以的。电阻器223、40的电阻值比率可以是N∶1、…、1∶1、1∶2、…1∶N(N是整数或实数)。只要它们集成在同一芯片上，则在电路的制造期间，该比率是一个很好控制的参数。

图1所示的电路执行两个测量。第一测量基于电流IPTAT，并且相对应的计数值ADC_COUNT是C

其中，ΔVBE＝V

当输入电流为IPTAT时，调制器计数(C

当输入电流为电阻器电流(IR)时，调制器计数(C

参数Atime表示积分时间窗口，并且与时钟信号CLK1(如2MHz)相关。

可以使用公式(3)和(5)通过线性关系来从比率度量计算C

T＝A*C

公式(7)在本例中是线性关系。也可以使用任何其他高阶(二阶、三阶等)关系。以下表1和表2中描述了在-40℃至80℃温度范围内对引起了C

表1

表2

仿真结果示出了使用图1中电路(包括温度传感器20和附加电阻器40)时温度的变化程度。该计算示出了典型情况、最差功率情况和最差速度情况。假设根据公式(7)的温度与公式(6)的比率度量计算表现出了线性行为，则可以对所有温度样本施加同一斜率并计算截距。仿真结果表明，温度误差为-1.61℃至1.51℃，因此温度测量非常精确。

再次回到图1，设置了计算器60，该计算器连接到计数器16的输出。计算器60根据公式(7)来执行计算，并生成了数字值TEMP，该数字值表示由图1中电路进行测量的温度。

图1的电路还可以用于测量照射到光电二极管50上的环境光。光电二极管50生成光电流IPD，在控制信号Φ5被激活并闭合了相对应的开关33时，该光电流IPD被供应到电流积分调制器10输入端子11。光电流IPD被与执行温度测量的同一电流积分调制器10进行集成。为了执行精确的光测量，在没有光照射到二极管50上时，必须对运算放大器OPAMP处的暗电流进行补偿。该偏移补偿生成了偏移微调值OSTRIM[8:0]，该偏移微调值作为校正值被转发到运算放大器OPAMP。偏移微调值取决于设备的温度，以使得由温度传感器装置20和附加电阻器40所提供的精确的比率度量温度测量转发到偏移补偿过程，从而提高了生成偏移补偿值OSTRIM[8:0]的自动调零过程的精度。

图2描绘了图1所示的组合的温度和环境光传感器的技术应用。图2示出了诸如平板电脑或智能手机的移动计算设备201。设备201包括显示屏幕202，该显示屏幕显示由处理器204生成的信息。组合的温度和环境光传感器203响应于设备203的环境光感测功能206来控制显示屏幕202的亮度。设备203的温度感测功能205用于执行对环境光传感器调制器中的积分放大器的自动调零过程，以补偿暗电流并获得精确的偏移补偿。

图3描绘了操作图1中的组合的温度和环境光传感设备的方法的过程图。根据步骤301，生成了温度相关的电流，诸如与绝对温度IPTAT成比例的电流。生成了代表温度相关的电流的相对应计数值C

对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中所规定的本公开的精神或范围的情况下，能够进行各种修改和变化。由于本领域技术人员可能会对结合本公开精神和实质的所公开实施例进行修改、组合、子组合和变化，因此本公开应解释为包括所附权利要求书范围内的所有内容。