低功耗小尺寸片上溫度傳感器設(shè)計(jì)

孔德鈺，劉 洋

(電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610054)

0 引言

在過去50年中，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直遵循著摩爾定律[1]，更小尺寸的半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)具有更高的性能、更高的門密度以及更高的能量效率。然而，隨著工藝尺寸的減小，芯片內(nèi)部的功率密度也在不斷增加，使芯片的工作溫度急劇升高，直接影響了電路的性能[2]。因而，在芯片中加入片上溫度傳感器來監(jiān)控芯片的熱分布[3]，以保證芯片中的各種電路的工作性能和可靠性變得尤為重要。

對于片上溫度傳感器而言，最重要的需求是面積小、功耗低和溫度精度高[4]。在時(shí)域溫度傳感器中，溫度以輸出信號的頻率、占空比或脈沖延時(shí)來表示。時(shí)域溫度傳感器電路具有面積小、功耗低和轉(zhuǎn)換率高的特性，適用于片上熱管理應(yīng)用[5]，經(jīng)常被用于片上溫度監(jiān)測。

本文提出的溫度-頻率轉(zhuǎn)換器的溫度檢測范圍在-40～+85 ℃之間，覆蓋了常規(guī)芯片的工作溫度范圍，溫度檢測誤差在±1 ℃范圍以內(nèi)。本文采用準(zhǔn)數(shù)字全MOS的溫度傳感器架構(gòu)[6]，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出電流與絕對溫度成比例(proportional to absolute temperature，PTAT)的電流發(fā)生器。使用該P(yáng)TAT電流發(fā)生器將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為溫度等效電流，然后，將PTAT電路產(chǎn)生的溫度等效電流鏡像到源耦合振蕩器中，利用源耦合諧振蕩的溫度穩(wěn)定性[7-8]，獲得絕對溫度的等效頻率并輸出。測試結(jié)果表明，所提出的溫度傳感器能夠以頻率方式檢測環(huán)境溫度，溫度誤差小于1 ℃。

1 溫度傳感電路設(shè)計(jì)

本文提出的溫度傳感器的原理框圖如圖1所示。通過PTAT電流發(fā)生器，將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為PTAT電流，然后將該電流用作源耦合振蕩器的偏置電流，最后以頻率的形式輸出環(huán)境溫度。

圖1 溫度-頻率轉(zhuǎn)換器的框圖

1.1 PTAT電流發(fā)生器設(shè)計(jì)

圖2為PTAT電流發(fā)生器的電路圖。在PTAT電路中，由于正反饋的存在，導(dǎo)致電路有2個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)，即休眠狀態(tài)和正常工作狀態(tài)。因此，需要加入啟動電路將其收斂于期望的正常工作狀態(tài)。在圖2中，N型場效應(yīng)晶體管MS1，MS2和電容器CS構(gòu)成了PTAT電流發(fā)生器的啟動電路。在休眠狀態(tài)，啟動電路消耗少量納安級的電流，并將電路切換到正常工作狀態(tài)，然后不再消耗電流，其消耗的功耗可以忽略不計(jì)。

圖2 PTAT電流發(fā)生器的電路圖

在圖2中，M1工作于深三極管區(qū)域，起到有源電阻器的作用，其漏極電流可表示為

Ip=KnS1Vds1(Vgs1-Vth)

(1)

式中：Ip為PTAT電流；Kn為NMOS的跨導(dǎo)參數(shù)；S1、Vgs1、Vds1和Vth分別為M1的寬長比、柵-源電壓、漏-源電壓和閾值電壓。

從式(1)可知，為了求解Ip，需要分別求解Vds1和Vgs1。Vds1可由(2)式得到：

(2)

式中：η為亞閾值斜率；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；q為單位電荷量；S6和S7分別為M6和M7的寬長比。

在圖2中可以看出，流過PTAT電流發(fā)生器的每個(gè)分支的電流是相等的。根據(jù)基爾霍夫電壓定律(Kirchhoff’s voltage law，KVL)

Vgs1=Vgs2+Vds5

(3)

式中Vgs2和Vds5分別為M2的柵-源電壓和M5的漏-源電壓。

由于M2工作于飽和區(qū)，則

(4)

式中S2為M2的寬長比。

根據(jù)KVL定律，Vds5=Vgs5-Vds3-Vds4，其中Vgs3是M3的柵-源電壓，Vds3和Vds4分別是M3和M4的漏-源電壓。M3和M4分別工作于飽和區(qū)和線性區(qū)。Vds5可以寫成：

(5)

其中Sa為

(6)

式(6)中，Sb為

(7)

式(7)中，Sc為

(8)

將式(4)和式(5)代入式(3)可得：

(9)

從式(9)可以看出，Vgs1的溫度特性由與溫度相關(guān)的3部分決定。第一部分Vth與絕對溫度成反比；由于NMOS的遷移率μn與溫度無關(guān)，第二、三部分可以看作是PTAT電流Ip的函數(shù)。通過選擇合適的晶體管的寬長比，第一部分的閾值電壓與溫度成反比的特性可以用第二、三部分的PTAT特性來抵消，使Vgs1與溫度無關(guān)。

圖3為使用cadence spectre仿真器，對Vgs1在-40～+85 ℃的溫度范圍內(nèi)的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，在-40～+85 ℃溫度范圍內(nèi)Vgs1幾乎恒定，即Vgs1的大小與溫度的變化無關(guān)，與式(9)得出的結(jié)論一致。

圖3 M1的柵-源電壓隨溫度變化的仿真結(jié)果

將式(2)代入到式(1)還可以得到：

(10)

在式(10)中，(ηKS1μn/q)ln(S7/S6)是常數(shù)，并且，由于參數(shù)m的數(shù)值非常小，由溫度變化引起的(T/T0)(1-m)的變化可忽略不計(jì)[9]。因此，電流Ip與(Vgs1-Vth)成正比。又由于式(9)得出的結(jié)論，Vgs1的變化幾乎與溫度無關(guān)，并且Vth隨溫度升高而降低。因此，(Vgs1-Vth)將隨著溫度增加而增大，因此，Ip將表現(xiàn)出PTAT特性，如圖4所示。

圖4 M1的過驅(qū)動電壓隨溫度變化的仿真結(jié)果

1.2 流控振蕩器設(shè)計(jì)

相對于傳統(tǒng)的基于施密特觸發(fā)器的張弛振蕩器，源極耦合振蕩器能夠提供對稱的波形以及更高的振蕩頻率[10]，因此，被廣泛用于壓控振蕩器、流控振蕩器和I/Q交叉耦合振蕩器中。源極耦合振蕩器的簡化原理圖如圖5所示。

圖5 源極耦合振蕩器的簡化原理圖

圖5中交叉耦合的M1和M2為增益級，它們驅(qū)動阻值為R的電阻負(fù)載。M1和M2不斷地交替開關(guān)，決定了浮動電容器Co的充放電方向。當(dāng)M1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，M2處于截止?fàn)顟B(tài)，Co從左向右充電，此時(shí)Vout+=Vdd-=2Ip，Vout-=Vdd。Co兩端的波形為三角波，一旦Co左端的電壓下降到觸發(fā)電壓時(shí)，M1和M2的工作狀態(tài)即發(fā)生切換，Co從右向左充電。在輸出端得到的波形取決于電容器Co的大小，振蕩器的振蕩頻率為

(11)

式中Vpp為電容Co兩端的峰峰值電壓。

由式(11)可以看出，當(dāng)Co的電容為固定值時(shí)，振蕩頻率f與源極耦合振蕩器的偏置電流Ip成正比。因此，當(dāng)使用PTAT電流Ip作為源極耦合振蕩器偏置電流時(shí)，所得到的振蕩頻率也具有PTAT特性。

本文使用的源極耦合振蕩器電路圖如圖6所示。本文提出的源極耦合振蕩器，在圖5的基礎(chǔ)上，使用Mp1和Mp2作為振蕩器的輸出緩沖級，以獲得方波輸出波形。

圖6 本文提出的源極耦合振蕩器電路圖

2 溫度傳感器的測試結(jié)果

本文所提出的片上溫度傳感器使用22 nm SOI CMOS工藝設(shè)計(jì)并流片。傳感器的顯微照片如圖7所示，有效面積為0.01 mm2。工作于+85 ℃時(shí)，溫度傳感器的功耗達(dá)到最大值為500 nW。該溫度傳感器的電源電壓為0.8 V，與標(biāo)準(zhǔn)22 nm SOI CMOS工藝的電源電壓相同，因此，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，不需要使用額外的電源電壓供電，節(jié)省了芯片面積和功耗。

圖7 片上溫度傳感器的顯微照片

對同一批次的8顆傳感器芯片進(jìn)行了測試，所有測量均在-40～+85 ℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。測量結(jié)果如圖8所示，由圖8中可以看出，傳感器輸出的熱等效頻率隨溫度線性變化。因此，采用了單點(diǎn)校準(zhǔn)方法來進(jìn)行校準(zhǔn)，以工作溫度范圍的中間值22.5 ℃作為參考溫度，該溫度同時(shí)也是室溫，然后，使用MATLAB計(jì)算了溫度誤差。

圖8 溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路的測量結(jié)果

圖9為8個(gè)樣品的溫度誤差測試結(jié)果，溫度傳感器的輸出溫度誤差在1 ℃以內(nèi)。

圖9 測得的8個(gè)片上傳感器的溫度誤差

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種最大功耗為500 nW，面積為0.01 mm2的低功耗小尺寸溫度傳感器，它可以將芯片內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換為等效頻率。測試結(jié)果表明，該溫度傳感器能夠檢測-40～+85 ℃范圍內(nèi)的溫度，在使用單點(diǎn)校準(zhǔn)后，該溫度傳感器的溫度測量誤差小于1 ℃。其電源電壓為0.8 V，與22 nm CMOS工藝節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓一致，這使得大多數(shù)情況下，該傳感器不需要額外的電源電壓。隨著半導(dǎo)體工藝尺寸的減小，芯片內(nèi)功耗密度急劇增加，局部溫度過高會導(dǎo)致內(nèi)部電路性能下降甚至失效等問題，該溫度傳感器尤其適用于片上溫度檢測及熱管理應(yīng)用。