本发明属于集成电路技术设计领域，涉及一种基于sigma-delta的芯片温度控制系统。
背景技术：
1、生物传感器的基本原理是利用生物分子之间的相互作用来特异性检测脱氧核糖核酸(dna)、蛋白质、毒素、激素等生物分子的存在和丰富度。
2、聚合酶链式反应简称为pcr，是以dna半保留复制机制为基础，发展出的体外酶合成、扩增特定核酸片的一种方法。标准的pcr反应需要经历3个过程：高温变性（95℃）、退火互补（55℃）、伸长聚合（72℃）。所以温控系统不仅需要能精确的产生三个特定的反应温度，还需要能在三个温度之间顺利切换，以满足反应条件。不仅是pcr热循环模块温度控制精确性和均一性，升降温速度也影响pcr实验结果的稳定性。热循环模块的升温和降温速度会使pcr产物凝水电泳带型改变。温度准确有效是pcr反应的灵魂。提高反应模块的温度控制精确性和内部温度均一性，确保pcr反应组分尽可能处于设定的有利温度而非偏离设定温度，可提升pcr扩增效率，减少错误和非特异性反应。
3、传统的集成热管理器多使用玻璃作为首选材料制作加热器，通过温度传感器进行数据采集，反馈连接到比例积分微分（pid）控制系统，用于控制反应室的温度。但是这样的测试方式需要很多的外围控制器与温度传感器，导致系统复杂、成本高并且测试很不方便。我们更希望pcr反应直接在片上完成，所以设计一个集成度高、温度精确性高且自动控制温度的芯片加热系统是十分重要的。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其具体技术方案如下：
2、一种基于sigma-delta的芯片温度控制系统，包括控制系统和加热模块，所述控制系统包括电流发生器一、电流发生器二、选择器、积分器和量化器，所述加热模块包括加热器，所述电流发生器一和电流发生器二产生极性相反的两路电流连接到选择器，所述选择器选择其中一路流入积分器中，所述积分器由大电容构成，大电容连接到一个由动态比较器组成的量化器的一端，所述量化器的另一端连接参考电压vref，所述量化器输出反馈到选择器中，组成一个负反馈的sigma-delta调制器，保证积分器的电压始终在参考电压附近波动，同时量化器的输出控制加热器，所述量化器产生的比特流不仅保证sigma-delta调制器的稳定，还控制加热器温度的稳定，通过改变参考电压vref调节所述加热器的温度，通过调节电流发生器一和电流发生器二的电流大小调节温度的精度。
3、进一步的，所述电流发生器一的+δq1和电流发生器二的-δq2由pmos充电电路和nmos放电两路组成，所述pmos充电电路和nmos放电两路包括两个idac，两个缓冲器buffer，一个加法器，一个减法器和电流充放电模块，所述idac分为p型idac和n型idac，idac的参考电流由片外可变电阻调控，可以调节片外电阻的大小调节vn和vp值，从而控制充放电电流大小，两个idac分别为一个 p-idac1，一个n-idac，p-idac1输出电流i1，串联片外电阻r1到地，产生vpvn值，n-idac输入电流i2，串联片外电阻r2到电源，产生vn值， p-idac1和n-idac输出分别连接一个缓冲器buffer，两个缓冲器buffer分别连接加法器和减法器，所述加法器和减法器连接到电流充放电模块，所述缓冲器buffer用做隔离作用，所述加法器和减法器分别用于消除nmos和pmos的阈值电压，所述电流充放电模块通过选择器选择充电或放电。
4、进一步的，所述电流充放电模块包括放电电路和充电电路，所述放电电路包括四个并联排列的nmos管n0-n3，并联数目分别为1:2:4:8，通过三个开关s1、s2、s3成比例控制放电电流的大小，也即耗散功率大小；把开关 s0加入到栅极电压上，开关s0导通时，栅极电压驱动nmos管产生放电电流in，开关s0关断时，栅极电压拉到地，关断放电电流，消除时钟馈通的影响，电荷共享也减小；所述充电电路包括开关管p1、充电管p0和开关管n4，所述开关管p1与充电管p0串联，在充电管p0栅极增加一个片外的大电容c1，减小时钟馈通对p0栅极电压的波动，同时在p0的源极增加一个到地的开关管n4，当充电电路关断时，充电管p0栅源电容积累的电荷通过开关管n4放电，消除电荷共享的影响。
5、进一步的，所述量化器采用动态比较器来实现，时钟由片内或片外电路接入，改变时钟的快慢来调节温度精度，时钟越快，精度越高，功耗越大，所述量化器输出的数字信号分别控制电流充放电模块加热器p-idac2，当积分器的积分电压大于参考电压，说明此时加热功率大于参考功率，量化器的输出控制充电电路关断，放电电路打开，同时控制加热器p-idac2关闭，达到降温的效果；反之当积分电压小于参考电压时，量化器的输出控制充电电路打开，放电电路关断，同时控制加热器p-idac2打开，达到升温的效果。
6、进一步的，所述积分器为大电容c2，通过大电容c2上的电荷量模拟加热电阻的电功率，实现sigma-delta的作用，对剩余误差积累同时反馈控制。
7、进一步的，三个idac电流大小可以手动调节，通过设定加热电阻r和两个片外电阻r1和r2的比例关系设定三个idac的大小关系：设置片外电阻r1、r2电阻是加热电阻的n倍，同时i1和i2为加热电流i的1/n倍。
8、进一步的，所述动态比较器的参考电压选取由计算得到，首先在恒温箱中测量不同温度下加热电阻阻值，通过调节加热器p-idac2电流，得到特定温度下的功率值，片外电阻上的功率与积分电容c2的电压成正比例关系，同样，参考电压值与测量得到特定温度的功率值也成正比关系，计算出参考电压。
9、进一步的，系统正常工作时，不同的控制器分别控制两个idac输出不同的电流，电流分别流经两个不同的片外可变电阻r1和r2，产生电压vn与vp，控制pmos充电管和nmos放电管的开关在积分电容c2上对功率积分，通过积分电容c2积累电荷量并转化为电压来模拟功率，比较参考电压和积分电容电压判断芯片温度是否达到设定值，动态比较器的输出x[n]作用于充放电两路电流开关和加热器p-idac2，加热器p-idac2的温度是通过动态比较器输出周期性序列切换加热器p-idac2输出的负载电流来实现的，sigma-delta系统的负反馈保证温度维持在设定值。
10、进一步的，p-idac电路包括nm0-nm3管和pm0-pm21管，参考电流从nm0管的漏极流入，nm0和nm2的栅极相连，nm1的漏极和nm0的源极相连，nm1与nm3的栅极相连，nm1和nm3的源极接地，参考电流按1:1复制到nmos电流镜中，pm20漏极与nm2漏极相接，pm20源极与pm21漏极相接，pm21源极接vdd，pm1、pm3…pm19管栅极都与通过一个开关pm21相接，源极都接vdd，每个pmos电流源上的开关都代表着p-idac电流模块输出n比特信号中的某一比特，当数字控制模块控制某一路电流输入1时，对应的栅极开关闭合，所有pmos使用相同单位的pmos管，并联数目m呈现二进制增长，pm1并联1个，pm3并联2个，pm5并联4个，以此类推，同样的，pm0、pm2…pm20管栅极与pm20通过开关相接，所有管子的设置与pm1、pm3…pm19相同，通过数字模块中的数字逻辑来实现对n比特开关的控制，所有pmos的衬底都接vdd，所有nmos的衬底都接地，pm0、pm2…pm20漏极都接out，pm1、pm3…pm19源极都接vdd。
11、进一步的，n-idac电路包括nm0-nm21管，参考电流iref流入nm0的漏极，nm0的源极和nm1的漏极相接，nm1源极接地，nm0和nm1的栅极和漏极相连，与pmos构成的idac相同，nm1、nm3、nm5…和nm2、nm4、nm6…并联管的数目m以二进制增加，所有的nmos管均使用相同单位的nmos管，nm2、pm4…pm20的栅极通过开关与nm0的栅极连接起来，nm1、pm3…pm19的栅极通过开关与nm1的栅极连接起来，数字模块中的数字逻辑控制n比特开关，当某一比特为0时，对应的开关断开，为1时开关闭合， nm2、pm4…pm20漏极都接out，nm1、pm3…pm19源极都接地，所有nmos衬底都接地。
12、有益效果
13、本发明创新性地构建了一个基于sigma-delta的芯片温度控制系统，该系统利用电容器对功率积分，通过sigma-delta调制对功率反馈调节，由此实现更高的温度控制分辨率，创新性的改进了电流发生器结构，消除了晶体管的阈值电压影响，创新性改进电荷泵充放电结构，充电电路可以几乎消除时钟馈通和电荷共享的影响，实现了较高的准确度。同时该电路结构简单，避免了复杂且高功耗大面积模块如积分器的使用。同时本结构可以对数学上的平方操作的电路实现提供一个更简单的方案。
1.一种基于sigma-delta的芯片温度控制系统，包括控制系统和加热模块，所述控制系统包括电流发生器一、电流发生器二、选择器、积分器和量化器，所述加热模块包括加热器，其特征在于，所述电流发生器一和电流发生器二产生极性相反的两路电流连接到选择器，所述选择器选择其中一路流入积分器中，所述积分器由大电容构成，大电容连接到一个由动态比较器组成的量化器的一端，所述量化器的另一端连接参考电压vref，所述量化器输出反馈到选择器中，组成一个负反馈的sigma-delta调制器，保证积分器的电压始终在参考电压附近波动，同时量化器的输出控制加热器，所述量化器产生的比特流不仅保证sigma-delta调制器的稳定，还控制加热器温度的稳定，通过改变参考电压vref调节所述加热器的温度，通过调节电流发生器一和电流发生器二的电流大小调节温度的精度。
2.根据权利要求1所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，所述电流发生器一的+δq1和电流发生器二的-δq2由pmos充电电路和nmos放电两路组成，所述pmos充电电路和nmos放电两路包括两个idac，两个缓冲器buffer，一个加法器，一个减法器和电流充放电模块，所述idac分为p型idac和n型idac，idac的参考电流由片外可变电阻调控，可以调节片外电阻的大小调节vn和vp值，从而控制充放电电流大小，两个idac分别为一个 p-idac1，一个n-idac，p-idac1输出电流i1，串联片外电阻r1到地，产生vp值，n-idac输入电流i2，串联片外电阻r2到电源，产生vn值， p-idac1和n-idac输出分别连接一个缓冲器buffer，两个缓冲器buffer分别连接加法器和减法器，所述加法器和减法器连接到电流充放电模块，所述缓冲器buffer用做隔离作用，所述加法器和减法器分别用于消除nmos和pmos的阈值电压，所述电流充放电模块通过选择器选择充电或放电。
3.根据权利要求2所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，所述电流充放电模块包括放电电路和充电电路，所述放电电路包括四个并联排列的nmos管n0-n3，并联数目分别为1:2:4:8，通过三个开关s1、s2、s3成比例控制放电电流的大小，也即耗散功率大小；把开关 s0加入到栅极电压上，开关s0导通时，栅极电压驱动nmos管产生放电电流in，开关s0关断时，栅极电压拉到地，关断放电电流，消除时钟馈通的影响，电荷共享也减小；所述充电电路包括开关管p1、充电管p0和开关管n4，所述开关管p1与充电管p0串联，在充电管p0栅极增加一个片外的大电容c1，减小时钟馈通对p0栅极电压的波动，同时在p0的源极增加一个到地的开关管n4，当充电电路关断时，充电管p0栅源电容积累的电荷通过开关管n4放电，消除电荷共享的影响。
4.根据权利要求3所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，所述量化器采用动态比较器来实现，时钟由片内或片外电路接入，改变时钟的快慢来调节温度精度，时钟越快，精度越高，功耗越大，所述量化器输出的数字信号分别控制电流充放电模块加热器p-idac2，当积分器的积分电压大于参考电压，说明此时加热功率大于参考功率，量化器的输出控制充电电路关断，放电电路打开，同时控制加热器p-idac2关闭，达到降温的效果；反之当积分电压小于参考电压时，量化器的输出控制充电电路打开，放电电路关断，同时控制加热器p-idac2打开，达到升温的效果。
5.根据权利要求4所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，所述积分器为大电容c2，通过大电容c2上的电荷量模拟加热电阻的电功率，实现sigma-delta的作用，对剩余误差积累同时反馈控制。
6.根据权利要求4所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，三个idac电流大小可以手动调节，通过设定加热电阻r和两个片外电阻r1和r2的比例关系设定三个idac的大小关系：设置片外电阻r1、r2电阻是加热电阻的n倍，同时i1和i2为加热电流i的1/n倍。
7.根据权利要求4所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，所述动态比较器的参考电压选取由计算得到，首先在恒温箱中测量不同温度下加热电阻阻值，通过调节加热器p-idac2电流，得到特定温度下的功率值，片外电阻上的功率与积分电容c2的电压成正比例关系，同样，参考电压值与测量得到特定温度的功率值也成正比关系，计算出参考电压。
8.根据权利要求4所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，系统正常工作时，不同的控制器分别控制两个idac输出不同的电流，电流分别流经两个不同的片外可变电阻r1和r2，产生电压vn与vp，控制pmos充电管和nmos放电管的开关在积分电容c2上对功率积分，通过积分电容c2积累电荷量并转化为电压来模拟功率，比较参考电压和积分电容电压判断芯片温度是否达到设定值，动态比较器的输出x[n]作用于充放电两路电流开关和加热器p-idac2，加热器p-idac2的温度是通过动态比较器输出周期性序列切换加热器p-idac2输出的负载电流来实现的，sigma-delta系统的负反馈保证温度维持在设定值。
9.根据权利要求4所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，p-idac电路包括nm0-nm3管和pm0-pm21管，参考电流从nm0管的漏极流入，nm0和nm2的栅极相连，nm1的漏极和nm0的源极相连，nm1与nm3的栅极相连，nm1和nm3的源极接地，参考电流按1:1复制到nmos电流镜中，pm20漏极与nm2漏极相接，pm20源极与pm21漏极相接，pm21源极接vdd，pm1、pm3…pm19管栅极都与通过一个开关pm21相接，源极都接vdd，每个pmos电流源上的开关都代表着p-idac电流模块输出n比特信号中的某一比特，当数字控制模块控制某一路电流输入1时，对应的栅极开关闭合，所有pmos使用相同单位的pmos管，并联数目m呈现二进制增长，pm1并联1个，pm3并联2个，pm5并联4个，以此类推，同样的，pm0、pm2…pm20管栅极与pm20通过开关相接，所有管子的设置与pm1、pm3…pm19相同，通过数字模块中的数字逻辑来实现对n比特开关的控制，所有pmos的衬底都接vdd，所有nmos的衬底都接地，pm0、pm2…pm20漏极都接out，pm1、pm3…pm19源极都接vdd。
10.根据权利要求9所述的基于sigma-delta的芯片温度控制系统，其特征在于，n-idac电路包括nm0-nm21管，参考电流iref流入nm0的漏极，nm0的源极和nm1的漏极相接，nm1源极接地，nm0和nm1的栅极和漏极相连，与pmos构成的idac相同，nm1、nm3、nm5…和nm2、nm4、nm6…并联管的数目m以二进制增加，所有的nmos管均使用相同单位的nmos管，nm2、pm4…pm20的栅极通过开关与nm0的栅极连接起来，nm1、pm3…pm19的栅极通过开关与nm1的栅极连接起来，数字模块中的数字逻辑控制n比特开关，当某一比特为0时，对应的开关断开，为1时开关闭合， nm2、pm4…pm20漏极都接out，nm1、pm3…pm19源极都接地，所有nmos衬底都接地。
