基于CMOS集成溫度傳感器的電路設計與仿真

吳夢維，王振鐸

(哈爾濱理工大學 軟件與微電子學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

近年來，互補金屬氧化物半導體(CMOS)已廣泛用于傳感器電路設計。2016年，Mansoor等人[1]設計了一種硅絕緣體CMOS多傳感器微機電系統芯片，其可以同時測量溫度、壓力和流量。2017年，Wen-Sheng等人[2]提出了一種用于變溫系統中光探測器的暗電流抑制技術。CMOS溫度傳感器的優點包括體積小、成本低、性能高，且易于批量生產。在眾多工業應用中，溫度傳感器可在-30～125 ℃的寬溫度范圍內工作[3]。通常使用雙極型和金屬氧化物半導體(MOS)晶體管來實現片上傳感器，例如溫度傳感器[4]。在雙極型晶體管中，基極-發射極電壓與飽和電流用于提取基本信號。而在MOS晶體管的情況下，基本信號來源于閾值電壓和遷移率。然而，溫度傳感器的大部分電路均是由雙極晶體管使用的，因雙極晶體管的溫度特性比MOS晶體管更好[5]。

本文設計基于CMOS的集成溫度傳感器，其主要由偏置電路、運算放大器以及熱傳感器組成。文中討論了電路的主要設計，包括偏置電路、運算放大器電路、熱傳感器。并在50 nm工藝下對電路進行仿真，得出該傳感器的溫度系數為5.9 mV /℃。

1 溫度傳感器設計

1.1 溫度傳感器原理

圖1所示為溫度傳感器電路的結構。傳感器電路由電流鏡像源，一對雙極型晶體管和一個電阻組成。Q1和Q2是兩個NPN雙極晶體管；I1和I2分別為Q1和Q2的集電極電流，分別由恒流源提供；電阻R上的電壓是VBE1和VBE2之間的電壓差。電壓和電流之間的關系[6]為

(1)

(2)

其中K是玻爾茲曼常數，q是電子電荷，T是絕對溫度；……