本发明涉及温度感应，具体而言，涉及一种温度感应转换器。
背景技术：
1、温度感应转换器广泛应用于医疗卫生、环境监测、农业种植等多个领域。传统温度感应转换器通常会在电路结构中采用功耗较大的三极晶体管，并使用体积较大的运算放大电路和模数转换电路，已获得相应的数字量温度值。并且，温度感应转换器中的电路元件受制造工艺和噪声干扰的影响，输出精度不高。因此，有必要对温度感应转换器进行新的研究和设计，以适应其在便携式和高精度相关领域的应用。
技术实现思路
1、本发明解决的问题是提出了一种温度感应转换器，能够通过较为简单的电路结构进行温度感应，并对相关电压信号进行高精度转换处理，进而输出与温度呈良好线性关系的交变电压信号，将温度变化转换为交变电压的频率变化。
2、为解决上述问题，本发明提出的温度感应转换器包括温度感应电压电路和电压转换输出电路。
3、温度感应电压电路通过较为简单的电路结构对温度进行感应，并产生相关电压信号。温度感应电压电路对相关电压信号进行放大及抗干扰处理。温度感应电压电路连接电压转换输出电路，并输出与温度变化具有较高线性度的电压信号到电压转换输出电路中。
4、电压转换输出电路对输入的电压信号进行变换处理，并输出其频率与温度变化呈良好线性关系的交变电压信号。后续电路可通过频率计数器，将交变电压的频率模拟量转化为相应数字量，供相关系统的温度显示或温度控制应用。
5、温度感应电压电路包括温压产生电路、转换放大电路和输出电压电路。温压产生电路通过温度感应单元产生高线性度温度感应电压信号。温压产生电路连接转换放大电路，并传输高线性度温度感应电压信号到转换放大电路中。转换放大电路在不受温度变化及电源电压抖动干扰的情况下，将电压信号转换为相应电流信号并放大。转换放大电路连接输出电压电路，并将放大后的电流信号传输到输出电压电路中。输出电压电路包含输出级负载电路结构，将输入电流信号转换为相关电压信号，同时消除了电压信号中影响线性度的相关参量，以进一步提高所输出电压信号的线性度。
6、温压产生电路包括5个mosfet器件，其分别为pm1、pm2、pm3、nm4和nm5。pm1的g极连接转换放大电路，并使pm1所在支路获得的偏置电流。pm2可通过尺寸调节改变支路电流，以符合pm3与nm4的偏置要求。pm1、pm2和nm5的相关电路连接结构使pm3和nm4被偏置工作于亚阈值区。
7、pm3与nm4分别为具有不同栅氧化层厚度及掺杂浓度的mosfet器件，其中pm3的栅氧化层电容大于nm4的栅氧化层电容。基于pm3与nm4制作工艺的差别，nm4的阈值电压大于pm3的阈值电压，且pm3的阈值电压温度变化斜率大于nm4的阈值电压温度变化斜率。pm3的d极与nm4的d极的连接节点电压vxt主要由电路结构及器件参数决定，与温度t的变化呈较好的线性关系。
8、转换放大电路包括11个mosfet器件，其分别为pm6、pm7、pm8、nm9、nm10、pm11、nm12、nm13、pm14、nm15和nm16。pm6、pm7、pm11和pm14相互连接构成偏置功能电路。其中，pm6的g极连接自身的d极，并分别连接pm11的s极和pm14的g极。pm6、pm11和pm14基于其连接关系，分别为其所在的支路传输偏置电流。pm7以二极管结构连接，并与pm6处于同一支路，通过调整pm7的宽长比，可改变其所在支路的电流，以符合转换放大电路各支路的偏置要求。
9、pm8、nm9、nm10、nm12、nm13、nm15和nm16连接构成传输功能电路。pm8、nm13、nm12、nm15和nm16工作于亚阈值区。基于pm8、nm13、nm12、nm15和nm16的连接关系，pm8的d极与nm9的d极的连接节点电压vsjg不受电源电压变化影响。基于节点电压vsjg和nm15的g极节点电压vs15的偏置作用，nm9工作于深三极管区，其导通阻抗具有可调节电阻作用，并且nm9的导通阻抗不受温度变化影响。温压产生电路中的nm4的d极与nm9的d极连接。带有温度变化信息的节点电压vxt传输到nm9的d极节点。此时，流过nm9的d极与s极的电流ixtn与温度变化同样具有较好的线性关系。pm6与输出电压电路中的pm19构成放大电流镜结构，将电流ixtn放大并传输到输出电压电路中。
10、输出电压电路包括6个mosfet器件和1个输出端口，其分别为pm17、nm18、pm19、pm20、nm21、nm22、输出端口vtmp。pm19和nm22用于提供偏置电流，使pm17、nm18、pm20和nm21均工作于亚阈值区。pm17、nm18、pm20和nm21的电路连接结构作为输出级负载，将由镜像结构传输到支路的电流转换为电压。pm17、nm18、pm20和nm21的电路连接结构，可消除pm17、nm18、pm20和nm21中电子迁移率、阈值电压、热电压等参量与温度的关联，以进一步提高输出电压电路所输出电压的线性度。输出电压电路中，将pm20的d极与nm21的d极的连接节点电压vtmp作为输出电压，并通过端口vtmp输出。电压vtmp具有温度相关的较高的线性度，且具有较高的电压幅值。
11、电压转换输出电路包括限流供电电路和反相延迟电路。限流供电电路接收相关端口输入电压。限流供电电路连接反相延迟电路，为反相延迟电路提供电流，并最大程度地限制不必要的电流流入反相延迟电路。反相延迟电路基于输入电流，产生相应交变电压，交变电压的频率与温度变化呈良好的线性关系。
12、限流供电电路包括10个mosfet器件和一个输入端口，其分别为pm23、nm24、nm25、nm26、pm27、nm31、pm33、nm37、pm39、nm43和端口vtcl。pm23、nm24、nm25、nm26和端口vtcl连接构成压控功能电路。其中，nm26的g极连接端口vtcl。电压vtmp通过端口vtcl传输到nm26的g极。nm26将电压vtmp转换为电流inp，并流过pm23所在支路。基于nm24和nm25的相关电路结构，nm26的d极电压被适当减小，进而对流过pm23所在支路的电流inp进行初步地限制。
13、pm27、pm33、pm39、nm31、nm37和nm43连接构成限流功能电路。pm27、pm33、pm39与pm23构成镜像电路连接结构，并基于与pm23的镜像电路比例关系传输电流。pm27、pm33和pm39具有相同的宽长比，且均为小尺寸mosfet，以实现对所传输电流的限制。nm31、nm37、nm43与nm26构成镜像电路连接结构，并基于与nm26的镜像电路比例关系传输电流。nm31、nm37和nm43具有相同的宽长比，且均为小尺寸mosfet，以实现对所传输电流的限制。
14、反相延迟电路包括11个mosfet器件、2个电容和一个输出端口，其分别为pm28、nm29、nm30、nm32、pm34、nm35、nm36、nm38、pm40、nm41、nm42、c1、c2和端口vzdf。pm28、nm29、nm30、nm32、c1相互连接构成第一延迟功能电路。pm28的g极连接nm29的g极，构成推挽式电路结构，当pm28的g极与nm29的g极的电路连接节点电压vtw1高于nm29的阈值电压vth29，但低于电压vlh1(vlh1＝vdd-vds27-vth28,vdd为电源电压，vds27为pm27的s极到d极间电压，vth28为pm28的阈值电压)时，pm28与nm29同时导通，支路电流iyc1流过pm28的g极到s极和nm29的g极到s极所在支路。基于限流供电电路的电流限制设计，电流iyc1在支路中未产生过高的功耗，提高了系统效率。
15、nm32的衬底与地直接相连，提高了nm32的寄生电容，进而减小了对电容c1的需求，有效提高了第一延迟功能电路的负载电容利用率。通过对nm32尺寸的调节，能够改变第一延迟功能电路的负载电容，进而改变输出电压的延迟时间。基于第一延迟功能电路的电路结构设计，第一延迟功能电路输出电压的延迟时间td1与输入电压vtmp呈良好的线性关系。
16、pm34、nm35、nm36、nm38和c2连接构成第二延迟功能电路。pm34的g极与nm35的g极连接，构成推挽式电路结构，当pm34的g极与nm35的g极的电路连接节点电压vtw2高于nm35的阈值电压vth35，但低于电压vlh2(vlh2＝vdd-vds33-vth34,vdd为电源电压，vds33为pm33的s极到d极间电压，vth34为pm34的阈值电压)时，pm34与nm35同时导通，支路电流iyc2流过pm34的g极到s极和nm35的g极到s极所在支路。基于限流供电电路的电流限制设计，电流iyc2在支路中未产生过高的功耗，提高了系统效率。
17、nm38的衬底与地直接相连，提高了nm38的寄生电容，进而减小了对电容c2的需求，有效提高了第二延迟功能电路的负载电容利用率。通过对nm38尺寸的调节，能够有效改变第二延迟功能电路的负载电容，进而改变其输出电压的延迟时间。基于第二延迟功能电路的相关电路结构，第二延迟功能电路输出电压的延迟时间td2与由端口vtcl输入的电压vtmp呈良好的线性关系。
18、pm40、nm41、nm42和端口vzdf连接构成反相输出功能电路。pm40、nm41和nm42均被偏置工作于亚阈值区。基于pm40、nm41和nm42的电路结构，第二延迟功能电路输出到反相输出功能电路的电压被反相，并通过端口vzdf输出。端口vzdf与pm28、nm29的g极连接，构成系统正反馈环路。基于第一延迟功能电路与第二延迟功能电路的电路结构，以及反相输出功能电路与第一延迟功能电路的反馈环路结构，反相延迟电路通过端口vzdf输出频率可调可控的交变电压vjsd。电压vjsd的频率fsa为延迟时间td1和延迟时间td2的函数。由于td1、td2均与电压vtmp呈良好的线性关系，交变电压vjsd的频率fsa亦与电压vtmp呈良好的线性关系。且由于电压vtmp与温度t呈良好的线性关系，则交变电压vjsd的频率fsa受电压vtmp的控制，并与温度t呈良好的线性关系。
19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种温度感应转换器。本发明通过温度感应电压电路与电压转换输出电路的连接，将温度变化转换为交变电压的频率变化，后续电路可通过频率计数器，将交变电压的频率模拟量转化为相应数字量，以供相关系统的温度显示或温度控制应用。本发明通过温压产生电路与转换放大电路的连接，将温度转换为放大的电流信号。本发明通过转换放大电路与输出电压电路的连接，输出与温度呈良好线性关系的电压信号。本发明通过限流供电电路与反相延迟电路的连接，输出交变电压，其频率与温度变化呈良好的线性关系。
1.一种温度感应转换器，其特征在于，包括温度感应电压电路和电压转换输出电路；温度感应电压电路通过较为简单的电路结构对温度进行感应，并产生相关电压信号；温度感应电压电路对相关电压信号进行放大及抗干扰处理；温度感应电压电路连接电压转换输出电路，并输出与温度变化具有较高线性度的电压信号到电压转换输出电路中；电压转换输出电路对输入的电压信号进行变换处理，并输出其频率与温度变化呈良好线性关系的交变电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种温度感应转换器，其特征在于，温度感应电压电路包括温压产生电路、转换放大电路和输出电压电路；温压产生电路通过温度感应单元产生高线性度温度感应电压信号；温压产生电路连接转换放大电路，并传输高线性度温度感应电压信号到转换放大电路中；
3.根据权利要求2所述的一种温度感应转换器，其特征在于，温压产生电路包括pm1、pm2、pm3、nm4和nm5；pm1的g极连接转换放大电路，并使pm1所在支路获得的偏置电流；pm2可通过尺寸调节改变支路电流，以符合pm3与nm4的偏置要求；pm1、pm2和nm5的相关电路连接结构使pm3和nm4被偏置工作于亚阈值区；
4.根据权利要求2所述的一种温度感应转换器，其特征在于，转换放大电路包括偏置功能电路和传输功能电路；偏置功能电路连接传输功能电路，为传输功能电路的各相关支路提供偏置电流；传输功能电路基于其电路结构，在不受温度变化及电源电压抖动干扰的情况下，将外部输入电压转换为电流并放大。
5.根据权利要求2所述的一种温度感应转换器，其特征在于，输出电压电路包括pm17、nm18、pm19、pm20、nm21、nm22、输出端口vtmp；pm19和nm22用于提供偏置电流，使pm17、nm18、pm20和nm21均工作于亚阈值区；pm17、nm18、pm20和nm21的电路连接结构作为输出级负载，将由镜像结构传输到支路的电流转换为电压；
6.根据权利要求1所述的一种温度感应转换器，其特征在于，电压转换输出电路包括限流供电电路和反相延迟电路；限流供电电路接收相关端口输入电压；限流供电电路连接反相延迟电路，为反相延迟电路提供电流，并最大程度地限制不必要的电流流入反相延迟电路；反相延迟电路基于输入电流，产生相应交变电压，交变电压的频率与温度变化呈良好的线性关系。
7.根据权利要求6所述的一种温度感应转换器，其特征在于，限流供电电路包括压控功能电路和限流功能电路；压控功能电路连接限流功能电路；压控功能电路接收由端口输入的电压，并将其转换为其所在支路电流；该支路电流被输入到限流功能电路中，并被等比例减小；限流功能电路将受限制后的电流输入到反相延迟电路中，在保证反相延迟电路正常工作的前提下，降低了反相延迟电路的功耗。
8.根据权利要求6所述的一种温度感应转换器，其特征在于，反相延迟电路包括第一延迟功能电路、第二延迟功能电路和反相输出功能电路；第一延迟功能电路连接第二延迟功能电路；第一延迟功能电路产生延迟电压，并输入到第二延迟功能电路；
