CMOS集成溫度傳感器

付秀蘭+高艷麗+龐遵林

摘要：基于TSMC的65nm CMOS工藝，利用CMOS工藝下寄生PNP晶體管的溫度特性，設(shè)計了一款片內(nèi)的集成溫度傳感器。文中分析了CMOS溫度傳感器的工作原理，重點介紹了感溫電路、采樣比較電路、逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換關(guān)鍵電路的設(shè)計實現(xiàn)。試驗結(jié)果表明，在-40oC～120 oC的溫度范圍內(nèi)，該溫度傳感器系統(tǒng)的溫度誤差小于2oC，功耗為0.75mW。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；感溫電路；逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）04-0215-03

Integrated Temperature Sensor using CMOS Technology

FU Xiu-lan， GAO Yan-li， PANG Zun-lin

（China Electronic Technology Group Corporation No.38th Research Institute，Hefei 230088，China）

Abstract： Based on the 65nm CMOS process of TSMC， by the temperature characteristic of parasitical PNP transistor， on chip integrated temperature sensor is presented. The working principle of integrated temperature sensor is analyzed. And then ， introduces the implementation of significant， including temperature detection circuit ， sampling and comparing circuit， SAR ADC circuit. Testing result shows that the max error under temperature of -40℃～120 ℃ can below 2℃，and the average power consumption was 0.75mW.

Key words： integrated temperature sensor； temperature detection； SAR ADC

1 概述

從空調(diào)系統(tǒng)、冰箱、電飯煲、電風扇等家電產(chǎn)品直至 PC機、服務(wù)器、計算機外設(shè)、移動電話手機等，都需要具有溫度傳感功能的器件。集成溫度傳感器與目前常用的傳統(tǒng)的溫度傳感器，如熱電偶、鉑電阻、雙金屬片等相比，具有體積小和高集成等優(yōu)點，能用于控制電路或計算機接口，更加適合在集成電路系統(tǒng)中應(yīng)用，為未來溫度傳感器的發(fā)展方向。

本文利用CMOS工藝中寄生PNP晶體管的溫度特性，研究和設(shè)計了一種全集成的溫度傳感器，該溫度傳感器的工作范圍為-40oC～120 oC，溫度誤差小于2℃，功耗為0.75mW。

2 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示，主要包括感溫電路、采樣比較電路、DAC、邏輯電路等。

集成溫度傳感器的工作原理：利用帶隙基準原理設(shè)計獲得一個不隨溫度變化的基準電壓Vbg；利用CMOS工藝下的寄生襯底PNP雙極型晶體管[1]的溫度特性，可以產(chǎn)生一個與溫度成反比的Vbe電壓。根據(jù)兩個電壓Vbe（三極管be結(jié)電壓）和Vbg（帶隙基準）隨溫度變化情況，輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的處理，輸出與溫度相關(guān)的數(shù)字信號存入寄存器。數(shù)據(jù)處理單元從寄存器中讀取溫度數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)擬合，最終得到片內(nèi)溫度。

3關(guān)鍵電路設(shè)計

3.1感溫電路

有多種傳感原理可用于設(shè)計 CMOS 集成溫度傳感器，比如利用 MOS 晶體管在弱反型區(qū)的溫度特性，利用 MOS 晶體管閾值電壓VT的溫度特性等[2]，其缺點是高溫下會產(chǎn)生漏電流、復現(xiàn)能力低、容差大和長期穩(wěn)定性差，在高性能要求時必須有大范圍的微調(diào)和校準工作[3]。本次感溫電路的設(shè)計主要利用在CMOS工藝中寄生雙極晶體管作為實現(xiàn)溫度傳感器功能的器件，其優(yōu)點是低成本、出色的長期穩(wěn)定性、可預測性較高、工藝的兼容性較好[4]。其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

雙極型晶體管PNP2的基極-發(fā)射級的電壓Vbg為：

電壓Vbg和Vbe的仿真結(jié)果如圖 3所示，可以看出，溫度范圍在-40oC～120oC電壓Vbg的電壓變化量為2.3mV，電壓Vbe與溫度成反比，電壓變化量為310mV。

3.2采樣比較電路

由于溫度傳感器對ADC的速度要求不高，本設(shè)計采用單端結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的采樣比較器，通過邏輯控制，使比較器在不同的控制邏輯下，分別工作于運算放大、比較器，實現(xiàn)采樣、比較的功能。選擇這種比較器，可以省略比例放大器，同時能避免一般差分比較器的失調(diào)，從而提高傳感器的線性度和精確度。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

采樣電路主要是分別采取與溫度成反比的Vbe電壓、不隨溫度變化的基準電壓Vbg。工作過程以Vbe為例：

A、采樣階段，控制開關(guān)r_h打開、采樣開關(guān)vdac_h關(guān)閉、采樣開關(guān)vbe_h、rt_sel_h打開，感溫電壓Vbe輸入采樣電容c1的一端，采樣電容的另一端VN與基準電壓vref相同，采樣電容c1的電壓差位為

B、比較階段，控制開關(guān)r_h關(guān)閉、采樣開關(guān)vdac_h打開、采樣開關(guān)vbe_h、rt_sel_h關(guān)閉，電壓Vdac輸入采樣電容c1的一端，由于電容兩端的電壓不能突變，電容另一端的電壓為VN為

比較器比較Vdac與Vbe的大小，若Vbe大于Vdac，比較器輸出邏輯高電平VOH；若Vbe小于Vdac，則比較器輸出邏輯低電平VOL。Vbg的采樣比較過程依次類推。

3.3 DAC電路

DAC電路主要是將逐次逼近型邏輯寄存器的輸出值sar_value[9：0]轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量電壓Vdac。DAC主要包括寄存器、電阻網(wǎng)絡(luò)兩部分。結(jié)構(gòu)如圖5所示。寄存器主要實現(xiàn)對sar_value[9：0]的寄存，產(chǎn)生電阻網(wǎng)絡(luò)的控制信號。

輸出電壓可以表示為：

[Vdac=avddi=091210-iSi]

其中Si代表sar_value的邏輯值，avdd表示輸出電壓。

3.4 逐次逼近寄存器

逐次逼近寄存器[5]協(xié)調(diào)DAC比較器共同工作，完成逐次逼近邏輯，主要使用具有復位和置位功能的觸發(fā)器串行構(gòu)成的移位寄存器實現(xiàn)逐次逼近寄存器。完成一個數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換需要十五個周期，其中啟動占用一個周期，對輸入的模擬信號進行采樣占用二個，逐次逼近轉(zhuǎn)換過程占用十個，逐次逼近寄存器如圖 7所示，圖中EOC表示結(jié)束信號，CLK為時鐘信號，DVDD、GND表示電源和低電平，R表示復位信號，sar_bit<9：0>表示比較結(jié)果，COM表示比較器的比較結(jié)果。

10位寄存器首先設(shè)置在中間刻度512（即：100000000，MSB位D9=1）。此時，DAC輸出（vdac） 被設(shè)為avdd/2，avdd 是提供給ADC的基準電壓。然后，比較判斷Vbe是小于還是大于Vdac，如果比較器輸出邏輯高電平，sar_bit<9>即寄存器的MSB保持為1。相反，如果比較器輸出邏輯低電平，sar_bit<9>清為0。隨后，逐次逼近控制邏輯移至下一位，并將該位置為高電平，進行下一次比較。這個過程一直持續(xù)到最低有效位（LSB）。經(jīng)過十個周期完成轉(zhuǎn)換，10位轉(zhuǎn)換結(jié)果m1儲存在寄存器內(nèi)。同理，由Vbg擬合出來的數(shù)值m2，與m1不同的是，由于Vbg是帶隙基準電壓，所以m2基本不隨溫度的變化而變化。

4 芯片版圖和仿真結(jié)果

使用tsmcN65的5X1z工藝文件繪制的CMOS集成溫度傳感器如圖 8所示，在版圖繪制時，比較器的差分管、DAC的電阻要注意匹配，感溫電路要注意隔離。

經(jīng)過版圖參數(shù)提取后，本文設(shè)計的CMOS集成溫度傳感器的系統(tǒng)后仿真結(jié)果如圖 9所示，圖中的DEC信號表示內(nèi)部電壓Vbe、Vbg的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

利用恒溫箱、開發(fā)板、示波器、直流穩(wěn)壓源、溫度測量儀等儀器在-40oC～120oC的溫度范圍內(nèi)將溫度傳感器芯片放在恒溫箱內(nèi)，F(xiàn)PGA芯片放在恒溫箱外的測試，測量結(jié)果如表 1所示，表中T0表示溫度傳感器放置環(huán)境-恒溫箱的設(shè)定溫度，m1、m2分別表示從示波器讀取的內(nèi)部電壓Vbe、Vbg的轉(zhuǎn)換結(jié)果，T1表示經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元得到的片內(nèi)溫度，T表示溫度傳感器的溫度誤差。在-40oC～120 oC的溫度范圍內(nèi)，不包括數(shù)據(jù)處理單元，芯片的平均功耗為0.75mW。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種CMOS集成溫度傳感器，感溫電路主要利用CMOS工藝下的寄生襯底PNP雙極型晶體管的溫度特性，產(chǎn)生與溫度成反比的電壓Vbe和基本不隨溫度變化的電壓Vbg，通過10位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)溫度量的數(shù)字信號輸出，通過后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)片內(nèi)溫度的檢測?；?5nm CMOS工藝，完成了電路和版圖的設(shè)計，試驗結(jié)果表明，該集成溫度傳感器在-40oC～120 oC，溫度誤差小于2℃，功耗小于0.75mW，滿足集成電路系統(tǒng)中溫度傳感器的需求。

參考文獻：

[1] 江海，呂堅，徐建華，等.基于動態(tài)元件匹配的 CMOS 集成溫度傳感器設(shè)計[J].半導體學報，2007，28（11）：1824-1829.

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[4] 陳貴燦，程軍，張瑞智.模擬 CMOS 集成電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學出版社，2002：309-321.

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