CMOS集成溫度傳感器電路設(shè)計(jì)及仿真

汪 濤, 劉士興, 易茂祥, 楊文華

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院, 安徽 合肥 230009)

CMOS集成溫度傳感器電路設(shè)計(jì)及仿真

汪 濤, 劉士興, 易茂祥, 楊文華

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院, 安徽 合肥 230009)

根據(jù)集成溫度傳感器的原理,利用晶體三極管發(fā)射結(jié)作為敏感元件,設(shè)計(jì)出集成溫度傳感器電路。根據(jù)電路中的器件及其連接關(guān)系,得到了該電路的網(wǎng)表文件?；赟PICE軟件的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感器的電壓和電流的溫度靈敏度分別為3.15 mV/℃、0.61 μA/℃，且線性度較好。

集成溫度傳感器； 發(fā)射結(jié)電壓； 網(wǎng)表文件； 電路仿真

集成電路的設(shè)計(jì)方法主要有全定制方法、半定制方法和FPGA方法[1-2]。全定制方法要求精確到每一個(gè)晶體管和連線；半定制方法只需要對已有晶體管陣列布線即可；而FPGA方法只需要進(jìn)行軟件編程就能得到滿足功能需要的集成電路。在2013年的中國集成電路設(shè)計(jì)年會上,與會專家學(xué)者提出當(dāng)前集成電路發(fā)展的主要趨勢是集成化、可重構(gòu)化和數(shù)字化。因此,數(shù)?；旌霞呻娐放c傳感技術(shù)相結(jié)合具有重要意義。

溫度是對人類生產(chǎn)生活有重要影響的物理量。溫度傳感器種類繁多,傳統(tǒng)的熱電偶和熱電阻難以和接口電路集成,而MEMS溫度傳感器和集成溫度傳感器在提高集成度方面則方便得多[3-5]。集成溫度傳感器可用于LED散熱模塊以及熱電參數(shù)監(jiān)測等多種場合[6-7]。本文基于全定制設(shè)計(jì)方法,將先進(jìn)集成電路設(shè)計(jì)方法和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,在設(shè)計(jì)高增益運(yùn)放電路的基礎(chǔ)上,利用雙極型晶體三極管的發(fā)射結(jié)作為敏感元件,設(shè)計(jì)出CMOS集成溫度傳感器電路,再根據(jù)MOS晶體管模型和PNP晶體管模型得到電路的網(wǎng)表文件,基于SPICE軟件仿真得到該溫度傳感器電路的電壓和電流的溫度特性。

1 CMOS集成溫度傳感器的原理

目前CMOS集成溫度傳感器的設(shè)計(jì),大多采用一對非常匹配的雙極型晶體管構(gòu)成差分對結(jié)構(gòu)作為溫度敏感元件[8-10]。圖1是集成溫度傳感器基本原理[3]，其中Q1和Q2是互相匹配的PNP晶體管,I1和I2分別是Q1和Q2管的集電極電流,由恒流源提供。

圖1 集成溫度傳感器基本原理圖

在理想情況下,當(dāng)晶體管的放大倍數(shù)較大時(shí),可忽略基極電流Ib,則集電極電流Ic約等于發(fā)射極電流Ie。襯底型PNP三極管的集電極電流Ic與發(fā)射結(jié)正偏時(shí)的電壓關(guān)系可由下式給出[3]:

(1)

式中VT=KT/q,Is為晶體管發(fā)射極反向飽和電流,K為玻爾茲曼常數(shù),q為電子電荷量,T為絕對溫度。上式經(jīng)過變換,可表示發(fā)射結(jié)電壓Vbe為[11-12]

(2)

Q1和Q2管的發(fā)射極和基極電壓之差ΔVbe可用下式表示[10-12]:

(3)

n為Q1和Q2兩個(gè)雙極型晶體三極管發(fā)射結(jié)的面積之比。如果nI1/I2為定值,則ΔVbe就與溫度T成線性變化關(guān)系,據(jù)此原理可設(shè)計(jì)出多種不同電路及不同輸出類型的集成溫度傳感器。

(1) 當(dāng)三極管Q1和Q2的發(fā)射結(jié)的面積相等時(shí),I1=nI2,該方法對兩個(gè)雙極型晶體三極管版圖的匹配精度要求較高。

(2) 在保證I1和I2相等的情況下,使三極管發(fā)射結(jié)面積AQ2/AQ1=n。本文基于這一原理來設(shè)計(jì)CMOS集成溫度傳感器電路。

2 CMOS集成溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

本文采用4 μm工藝設(shè)計(jì)電路。CMOS集成溫度傳感器電路可分為4個(gè)模塊,分別是偏置電路、差分運(yùn)放、一級運(yùn)放和感溫模塊(見圖2)。利用集成電路設(shè)計(jì)中的源漏公用和晶體管的串并聯(lián)方法優(yōu)化電路,該電路共由18個(gè)MOS管(見表1)、BJT差分對管Q1和Q2(發(fā)射結(jié)面積之比為5 μm2∶40 μm2)、3個(gè)電阻、2個(gè)電容和1個(gè)5 V的直流電壓源構(gòu)成。

圖2 晶體管級CMOS集成溫度傳感器電路

μm

3 集成溫度傳感器的電路仿真

根據(jù)器件模型和器件之間的連接關(guān)系,初步編寫的網(wǎng)表文件如下:

*Simulationnetlist Vdd Vdd 0 DC 5v Gnd Gnd 0 DC 0v M1 1 10 N4 Gnd mn L=4u W=20u M2 2 9 N4 Gnd mn L=4u W=20u M3 1 3 Vdd Vdd mp L=4u W=30u M4 2 3 Vdd Vdd mp L=4u W=30u M5 4 6 Gnd Gnd mn L=4u W=20u M6 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M7 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M8 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M9 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M10 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M11 5 6 Gnd Gnd mn L=4u W=65u M12 5 6 Gnd Gnd mn L=4u W=65u M13 9 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M14 10 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M15 15 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M16 14 14 Vdd Vdd mp L=4u W=4u M17 13 13 14 14 mp L=4u W=4u M18 13 13 Gnd Gnd mn L=4u W=20u Q1 Gnd 12 9 QPNP AREAA=5 AREAB=8 AREAC=10 MOD3

Q2 Gnd 12 11 QPNP AREAA=40 AREAB=64

AREAC=80 MOD3

R0 5 8 3K

R1 10 11 0.5K

R2 15 Gnd 5K

C1 7 8 5.2p

C2 7 Gnd 10p

根據(jù)電路網(wǎng)表文件進(jìn)行SPICE軟件仿真,反復(fù)調(diào)試各器件參數(shù)值并優(yōu)化處理,可得到整個(gè)電路的輸出結(jié)果(見圖3和圖4)。從圖3和圖4可以看出,PTAT(proportional to absolute temperature,與絕對溫度成正比)電壓和PTAT電流均與溫度具有較好的線性關(guān)系。當(dāng)溫度超過120℃時(shí),PTAT電壓和PTAT電流的增加速率隨溫度升高而加快,曲線斜率變大,PTAT電壓和PTAT電流的溫度靈敏度分別為3.15 mV/℃、0.61 μA/℃,線性度(非線性誤差)分別為2.58%和2.56%。

圖3 溫度傳感電路的電壓隨溫度變化曲線圖

圖4 溫度傳感電路的電流隨溫度變化曲線圖

4 結(jié)束語

本文從集成溫度傳感器的原理出發(fā),利用晶體三極管發(fā)射結(jié)電壓隨溫度的變化關(guān)系來反推溫度變化,設(shè)計(jì)出CMOS集成溫度傳感器電路,根據(jù)器件及其連接關(guān)系得到電路的網(wǎng)表文件,再利用SPICE軟件仿真得到電壓及電流隨溫度變化曲線圖。以集成電路設(shè)計(jì)的一般性方法為基礎(chǔ),再采用提高電學(xué)性能的方法,所得到的傳感電路靈敏度和線性度較好。在進(jìn)一步的工作中,可根據(jù)網(wǎng)表文件設(shè)計(jì)版圖,對版圖中提取的網(wǎng)表文件和電路圖網(wǎng)表文件做一致性檢查后可流片測試。

References)

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[3] 劉迎春,葉湘濱.傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2004.

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Design and simulation of CMOS integrated temperature sensor circuit

Wang Tao, Liu Shixing, Yi Maoxiang, Yang Wenhua

(School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Based on the principle of integrated temperature sensor,the sensor circuit is designed due to the emitter junction voltage of the transistor working as the sensitive element. The netlist file of the sensor circuit is obtained according to the devices and the connections. It is shown by the simulated results from the SPICE software that the temperature sensitivity of the voltage and the current is 3.15mV/℃ and 0.61μA/℃, respectively. Furthermore,the linearity is valuable.

integrated temperature sensor; emitter junction voltage; netlist file: circuit simulation

2014- 11- 14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371025)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61404042)；安徽高校省級自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2012Z316)；合肥工業(yè)大學(xué)校內(nèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(2012HGXJ0063)

汪濤(1981—),男,河南商城,在讀博士生,講師,主要研究方向?yàn)樘炀€與集成電路.

E-mail：wulishuwt@163.com

TN432

A

1002-4956(2015)6- 0114- 03