一種新型正反饋式CMOS 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

陳力穎 ，楊依林 ，王 浩 ，張思敏

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，集成電路的密度持續(xù)增加，導(dǎo)致工作時(shí)很容易產(chǎn)生較大熱量。尤其對(duì)于模擬集成電路而言，溫度對(duì)其工作性能有重大影響。為了監(jiān)測(cè)芯片內(nèi)溫度以提高系統(tǒng)的可靠性，目前多采用集成片上溫度傳感器。集成溫度傳感器具有體積小、易于集成在各種系統(tǒng)中及兼容于CMOS 工藝、易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造進(jìn)而節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。

目前溫度傳感器主要分為兩大類(lèi)：時(shí)域溫度傳感器和電壓域溫度傳感器。時(shí)域溫度傳感器主要基于溫度敏感頻率或者延遲時(shí)間。傳統(tǒng)時(shí)域感溫電路受電源電壓和非線性等因素的影響較嚴(yán)重，因此具有較大的測(cè)溫誤差，例如文獻(xiàn)[6]中的溫度傳感器設(shè)計(jì)，此類(lèi)溫度傳感器并不適合作為片上溫度傳感器。而電壓域溫度傳感器采用隨溫度變化的電壓信號(hào)表征溫度信息，具有高精度與高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，適用于片上熱管理，例如文獻(xiàn)[7-8]中的溫度傳感器設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)電壓域溫度傳感器結(jié)構(gòu)主要由bandgap 結(jié)構(gòu)衍生而來(lái)，其輸出范圍較小，不利于提高精度[3]。

本文設(shè)計(jì)了新型正反饋式溫度傳感器，在PTAT電流轉(zhuǎn)化部分將運(yùn)算放大器正反饋結(jié)構(gòu)融入電路中，與電阻結(jié)合，對(duì)器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，提高了輸出擺幅，以達(dá)到很高的測(cè)量精度和靈敏度，適用于非制冷紅外探測(cè)器、存儲(chǔ)器以及嵌入式系統(tǒng)等芯片內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 PTAT 電路結(jié)構(gòu)

本文CMOS 片上溫度傳感器采用PTAT 電流源結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)誤差。新型PTAT 電壓結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 本文新型PTAT 電壓結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.1 Comparison between new PTAT voltage structure and traditional one

傳統(tǒng)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要由bandgap 結(jié)構(gòu)衍生而來(lái)，PTAT 電流轉(zhuǎn)化為與溫度相關(guān)的輸出電壓僅由簡(jiǎn)單的電阻完成，而且輸出電壓范圍較小，不利于提高精度。本設(shè)計(jì)如圖1（b）所示，針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劣勢(shì)，將運(yùn)算放大器正反饋結(jié)構(gòu)融入電路中，與電阻相結(jié)合對(duì)器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，提高輸出電壓。

圖1（b）中 Q1 和 Q2 采用 NPN 型晶體管，Q1 發(fā)射極面積設(shè)置為Q2 的8 倍，其他參數(shù)一樣。運(yùn)放采用正反饋的連接方式，對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大。

針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1（a），把 MOS 管 M1、M2、M3的寬長(zhǎng)比設(shè)為1∶1∶2 的比值關(guān)系時(shí)有公式推導(dǎo)如下：

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(duì)溫度。另有IS1=8IS2。

對(duì)于本設(shè)計(jì)圖1（b）中運(yùn)放“虛短”接法，則有Vref=VR2、VR1=VR3。則公式（2）變?yōu)椋?/p>

所以由公式（8）可知，輸出電壓與溫度T 成正比，由此可知Vtemp的變化可以用來(lái)表示當(dāng)前溫度的變化。

1.2 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

運(yùn)算放大器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放）在本電路系統(tǒng)中扮演著放大器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號(hào)、提高輸出電壓范圍的重要角色。本系統(tǒng)對(duì)運(yùn)放的要求主要為兩方面：①為減小失調(diào)電壓，運(yùn)放增益≥75 dB；②為減小電源波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響，電源抑制比≤-75 dB。

本文所采用的是折疊式共源共柵放大器，其輸入共模范圍相對(duì)于套筒式放大器更大[9-14]，這可以為后續(xù)偏置電壓的設(shè)置提供便利。本設(shè)計(jì)中運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 運(yùn)算放大器Fig.2 Operational amplifier

圖2 中運(yùn)放結(jié)構(gòu)放大電路由M17—M27 組成。M1—M5 為電流源，M18、M19 組成 PMOS 差分輸入對(duì)。偏置電路由M6—M16 構(gòu)成，為運(yùn)算放大器提供偏置電壓。

采用 UMC 0.18 μm CMOS 工藝，在 1 pF 電容負(fù)載以及-45、-15、15、45、75、105、125 ℃溫度下對(duì)該電路進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 運(yùn)算放大器不同溫度下穩(wěn)態(tài)仿真曲線Fig.3 Steady-state simulation curve of operational amplifier under different temperatures

由圖3 可知，在不同溫度下運(yùn)放的增益均穩(wěn)定在75 dB 以上，其中點(diǎn)M15 為125 ℃增益最小時(shí)，增益為78.3 dB；點(diǎn) M2 為-45 ℃增益最大時(shí)，增益為 83.82 dB。滿足系統(tǒng)所需。

由圖4 可知，在不同溫度下運(yùn)放的電源抑制比均穩(wěn)定在-75 dB 以下，其中點(diǎn)M1 為125 ℃電源抑制比最大時(shí)，為-83.51 dB；點(diǎn)M2 為-45 ℃電源抑制比最小時(shí)，為-85.26 dB。滿足系統(tǒng)所需。

1.3 偏置電路設(shè)計(jì)

本文采用與電源電壓和溫度無(wú)關(guān)的典型帶隙基準(zhǔn)源為運(yùn)放輸入端及其他部分提供偏置電壓。

PTAT 結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生與溫度成正相關(guān)的電流，Q3（圖5）則產(chǎn)生一個(gè)相等溫度系數(shù)的、與溫度成負(fù)相關(guān)的電流，從而得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的電流，再經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓[15-17]。本文帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)僅以滿足運(yùn)放輸入及其他部分偏置電壓需求為主，不需要添加其他復(fù)雜的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

1.4 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

新型片上溫度傳感器整體電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 電路包括啟動(dòng)電路、偏置電路、運(yùn)算放大器和溫度傳感器核心電路4 個(gè)部分。M1、M2 柵極接地，導(dǎo)通后為M4 管提供柵壓。M4 管源極接地，電壓快速下拉，使得 M5、M6、M7、M8、M13、M14 快速導(dǎo)通，起到快速啟動(dòng)的作用。M18—M36 為帶隙基準(zhǔn)電壓源，為運(yùn)放輸入端提供偏置電壓。運(yùn)放采用正反饋連接，對(duì)器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，進(jìn)而增加輸出范圍，提高精度。

圖5 溫度傳感器電路整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of temperature sensor circuit

本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器采用UMC 0.18 μm CMOS工藝，在3.3 V 電源電壓下，溫度范圍為-45～125 ℃時(shí)，輸出電壓直流模擬仿真得到結(jié)果如圖6 所示。

圖6 輸出電壓隨溫度變化曲線Fig.6 Variation curve of output voltage with temperature

由圖6 可以看出，輸出電壓與絕對(duì)溫度成正比關(guān)系，且線性度良好，輸出電壓范圍為0.569～3.273 V。后文將對(duì)此仿真結(jié)果做進(jìn)一步的詳細(xì)分析。

2 仿真結(jié)果分析

在不同溫度下對(duì)輸出電壓Vtemp進(jìn)行瞬態(tài)仿真，間隔10 ℃取一個(gè)仿真結(jié)果。在溫度范圍為-45～125 ℃時(shí)，輸出電壓范圍為2.704 V。圖7 為輸出電壓Vtemp與溫度的擬合曲線。

圖7 輸出電壓（V）-溫度（℃）擬合曲線Fig.7 Fitting curve of output voltage（V）-temperature（℃）

由圖7 可見(jiàn)，所有的取值點(diǎn)都散落在趨勢(shì)線（紅色直線）附近很小的范圍內(nèi)。同時(shí)將靈敏度定義為：

其中 ΔT = 170 ℃，ΔVtemp= 2.704 V，代入式（9）可得靈敏度為15.9 mV/℃。將誤差定義為：

在-25 ℃時(shí)有最大偏移量-3.34 mV、25 ℃時(shí)有最小偏移量1.91 mV，分別代入式（10），可得 ε≈-0.21 ℃、0.12 ℃。由此可知，在-45～125 ℃溫度測(cè)量范圍內(nèi)，計(jì)算得到的測(cè)量精度為0.12 ℃/-0.21 ℃。由圖7 可知，輸出電壓線性度為99.93%。

表1 所示為本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器與其他溫度傳感器的性能比較。

由表1 可知，對(duì)比其他傳統(tǒng)溫度傳感器結(jié)構(gòu)，本文的溫度傳感器設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)放正反饋結(jié)構(gòu)與電阻結(jié)合，從而加大輸出電壓的范圍，即增大△Vtemp，進(jìn)而獲得了很高的靈敏度以及較高的精度。本文所設(shè)計(jì)的片上溫度傳感器性能更佳。

表1 性能參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of performance parameters

3 結(jié) 論

本文新型正反饋式片上溫度傳感器的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比，在PTAT 結(jié)構(gòu)將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為溫度等效電流時(shí)，利用運(yùn)算放大器正反饋結(jié)構(gòu)，對(duì)器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大。采用UMC 0.18 μm CMOS 工藝模擬仿真得到，在-45 ～ 125 ℃溫度范圍內(nèi)，輸出電壓為0.569 ～3.273 V，輸出電壓曲線線性度達(dá)99.93%，靈敏度為15.9 mV/℃，測(cè)量精度為0.12 ℃/-0.21 ℃。由此可知通過(guò)增加運(yùn)放正反饋使輸出電壓范圍增大，成功的提高了測(cè)量精度以及靈敏度。本設(shè)計(jì)在非制冷紅外探測(cè)器、存儲(chǔ)器以及嵌入式系統(tǒng)等芯片領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。