一種PTAT的MOS溫度傳感電路的設計與實現

殷萬君，武建壽，鄭 君，祝建科

（1.四川信息職業技術學院 四川廣元　628017；2.張掖市華光太陽能有限公司 甘肅 張掖　734000）

一種PTAT的MOS溫度傳感電路的設計與實現

殷萬君1，武建壽2，鄭 君2，祝建科1

（1.四川信息職業技術學院 四川廣元628017；2.張掖市華光太陽能有限公司 甘肅 張掖734000）

溫度傳感器的研究趨勢是提高測溫精度和分辨率、增加測試功能、規范接口標準、提高可靠性和安全性。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、從集成化向智能化和高精度、低功耗、高集成度的方向發展。為了提高溫度傳感器的線性度，設計采用了PTAT電路，實現了溫度-電壓轉換效率高、線性度好、測溫準確、功耗低的要求。

PTAT；溫度；電壓；線性度

溫度傳感器有雙金屬開關、熱電偶、鉑電阻等，這些溫度傳感器應用在不同場合，在控制電路中有著各自不可替代的優點［1］。半導體溫度傳感器與這些溫度傳感器相比，有體積較小、功耗較低、靈敏度高、集成度高、抗干擾能力強［2］、自熱溫度系數小等諸多優點。更重要的是其線性度較好，通過變送后，無論是以電壓、電流、頻率或其他信號形式輸出，在相當寬的溫度范圍內（-55～150℃）這些輸出量都與實時溫度成線性關系，非常適合在集成電路系統中應用［4］。如今集成溫度傳感器已經應用于各種場合，在設計中 ，最普遍的實現方案就是通過兩個雙極性三極管的ΔVbe來構建與絕對溫度成正比（proportional to absolute temperature，PTAT）的電壓或電流［4］。

1　PTAT單元電路

PTAT電路單元如圖1所示。

圖1　PTAT單元電路

三極管Q1和Q2采用圖1所示的接法，且Q1和Q2參數相同，即Q1和Q2管的反向飽和漏電流Is1和Is2相等，采用一定的偏置電路使得Q1三極管集電極電流為Q2三極管集電極電流的n倍。由于PNP三極管的反向飽和漏電流Is依賴于溫度，其表達式為式1：

PNP三極管正向電壓為式（3）：

由于兩個三極管的反向飽和漏電流Is1=Is2，所以兩三極管的射極電位差為式（1）～（4）：

式（1）～（4）對溫度T求導得式（5）：

可見采用這種接法的兩個三極管VEB的差值只與溫度有關，并且電壓的變化與溫度呈正比。只要通過一定的偏置電路構成這種電路，就可以很好的實現溫度的檢測，并且輸出電壓隨著溫度的增加而增加。

2　溫度傳感電路

構造PTAT電路有兩種途徑，一是通過偏置電路使得偏置電流成比例，二是通過工藝技術使得兩個三極管的發射區面積成比例［5］，也即反向飽和漏電流成比例。如圖2所示。

圖2　PTAT溫度傳感電路

由圖2和PTAT電路理論知：

Q1與Q2發射極的電位差為式（8）：

上式對溫度求導為式（9）：

取n=8，也即Q2發射極的面積8倍于Q1發射極的面積，M1、M2和M3構成了電流鏡，由電流鏡原理知I3=（β3/β1）I1，則輸出Vout為式（10）：

由運算放大器的特性知V+=V-，即：

將式（4）～（6）、式（4）～（7）代入式（4）～（11）得：

取M3的尺寸與M1和M2相同，把式（12）代入式（10）得式（13）：

輸出電壓Vout是一個與溫度成正比的量，也即溫度升高輸出電壓增大。

運算放大器在電路中具有抑制電壓變化的作用，當電源電壓下降時，I1和I2也下降，由于電阻支路上的電壓是線性變化的，而三極管支路上的電壓是對數變化的，所以R1支路上的電壓降變化要大于三極管支路上的電壓降，使得V+-V-＜0，致使運算放大器輸出電壓下降，電流增加，由于負反饋的作用，使得電流穩定，運算放大器深度負反饋的作用的使得輸出電壓Vout不受電源電壓變化的影響。

只要電路工藝確定，則輸出電壓與溫度呈線性關系。在電路中加入運放、電阻、電流鏡就可以得到隨溫度變化的輸出電壓了。

在PTAT溫度檢測電路中，只有采用高電源抑制比的運算放大器，才能提供穩定的偏置，使的輸出電壓只與溫度有關，而與電源的變化無關。對比各種運算放大電路參考文獻［6-8］，文中采用兩級全MOS運算放大電路，如圖3所示。

圖3　PTAT溫度傳感電路

3　仿真參數及結果

取補償電容Cc取5Pf。電源電壓1.8 V，兩級全MOS運算電路各MOS管的尺寸如表1所示。

取R1=5.4 kΩ、R2=5 kΩ，M10、M11和M12的柵長取L= 3 μm，M11和M12取柵寬W=5 μm。M10柵寬W=40 μm。

在-45～125℃0.6 μm Spectre環境下仿真溫度與輸出電壓的關系，仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著溫度的升高，輸出電壓線性增加，當溫度達到125℃時，輸出電壓為1.361 V。

表1　運算放大器電路參數

圖4　PTAT溫度---電壓特性

線性度是溫度傳感單元的一個重要指標，也即輸出電壓與溫度的斜率關系，掃描結果如圖5所示。

圖5　輸出電壓與溫度的斜率關系

從圖5可知，最大值與最小值之間的差值只有0.292 mV/℃，可見該溫度傳感電路具有較好的線性度。

4　版圖設計

在版圖設計中要確保金屬線的寬度和引線孔的數目能夠滿足要求，尤其是電源線和地線的寬度，而對差分對管、有源負載、電流鏡等則要求有匹配良好的子模塊。

5　結　論

本文利用PTAT電路單元設計了一種溫度傳感電路，仿真結果表明，本文設計的溫度傳感電路線性度好、測溫范圍廣、精度高，電路結構簡單。

［1］殷萬君.基于溫度的DRAM刷新時鐘產生電路設計［R］.成都：西南交通大學，2014.

［2］畢查德.拉扎維.模擬CMOS集成電路設計［M］.西安，西安交通大學出版社，2003.

［3］劉恩科，朱秉升，羅晉升．半導體物理學［M］.北京：國防工業出版社，1997．

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［6］Bianchi R A，F，Vinci Dos Santos，Karam J M，et al．CMOSCompatibleSmartTemperatureSensors．Microelectronics Journal［J］，1998（29）：627-636．

［7］GerardC.M.Meijer，GuiJieWangandFabianoFruett．Temperature Sensors and Voltage References Implemented in CMOS Technology［J］．IEEE Sensor Journal，2001，1（3）：225-234．

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The design and implementation of a PTAT MOS temperature sensing circuit

YIN Wan-jun1，WU Jian-shou2，ZHENG Jun2，ZHU Jian-ke1
（1.Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China；2.Zhangye City Huaguang Solar Energy Co.，Ltd.，Zhangye 734000，China）

The research trend of temperature sensor is to improve the temperature measuring accuracy and resolution，increase test function，standard interface standards，improve the reliability and security.International new type of temperature sensor is from analog to digital，from integration to the intelligence and the direction of high precision，low power consumption，high integration.In order to improve the linearity of the temperature sensor，the design adopts the PTAT circuit，has realized the temperature，high voltage conversion efficiency and good linearity，temperature measurement accuracy，low power consumption requirement.

PTAT；temperature；voltage；linearity

TN752

A

1674－6236（2016）09-0110-03

2015-04-26稿件編號：201504279

四川省教育廳自然科學重點項目（15ZA0380）；四川省教育廳自然科學一般項目（15ZB0467）；甘肅省科技廳科技支撐計劃（1204GKCG059）

殷萬君（1980—），男，甘肅張掖人，碩士，講師。研究方向：大規模集成電路設計與仿真。