一種具有±0.5℃精度的CMOS數(shù)字溫度傳感器

韋 鈺 ，羅 磊 ，唐俊龍 ，鄒望輝

（1.長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.廣州金升陽科技有限公司，廣東 廣州 510663）

CMOS集成數(shù)字溫度傳感器具備造價(jià)低且體積微小、能直接輸出數(shù)字信號(hào)的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、交通和消費(fèi)類電子等方面[1-4]。常見的CMOS集成溫度傳感器有幾種感溫機(jī)制，包括基于電壓域的[5]、基于頻率的[6]、基于相位的[7]、基于時(shí)域量化的[8]等。文獻(xiàn)[5]提出的溫度傳感器選擇用襯底PNP雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）作感溫器件，應(yīng)用了幾種技術(shù)來處理電路中的非理想性，最終使電路精度達(dá)到±0.35℃。文獻(xiàn)[6]是關(guān)于一款CMOS超低功耗溫度傳感器芯片的文章，包含一個(gè)溫度-電流轉(zhuǎn)換器和一個(gè)頻率-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這種基于頻率的溫度傳感器面積非常小，僅為0.0014 mm2。文獻(xiàn)[7]提出的是一種基于電阻的CMOS溫度傳感器，電阻用于構(gòu)建RC多相濾波器，讀取與溫度相關(guān)的相移并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，這種溫度傳感器比較容易進(jìn)行工藝移植。文獻(xiàn)[8]提出的一種不帶電壓/電流模數(shù)轉(zhuǎn)換器或帶隙基準(zhǔn)的基于時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的CMOS智能溫度傳感器，無需任何曲率校正或動(dòng)態(tài)偏移消除即可實(shí)現(xiàn)高線性度和精度。在文獻(xiàn)[9]中，溫度傳感器利用了MOSFET閾值電壓隨溫度變化的特性作為感溫原理，使用MOSFET作為感溫器件能有效地實(shí)現(xiàn)非常低的功耗。

在所有類型中，傳統(tǒng)的基于雙極結(jié)型晶體管的溫度傳感器仍然是最常見的，因?yàn)橐子谠O(shè)計(jì)并具有良好的精度[10-13]。常規(guī)CMOS工藝中的雙極型晶體管一般分為橫向雙極型晶體管（Lateral BJT）和縱向雙極型晶體管（Vertical BJT），其中縱向雙極型晶體管也被稱為襯底雙極型晶體管，因?yàn)槠浼姌O和襯底短接[14]。縱向雙極型晶體管的發(fā)射極電壓和集電極電壓與橫向雙極型晶體管比較而言，有更好的指數(shù)關(guān)系，因此CMOS溫度傳感器多采用縱向雙極型晶體管[15-16]。

該文首先討論雙極性晶體管的溫度特性，然后給出溫度傳感器的總體結(jié)構(gòu)和基本電路設(shè)計(jì)，并對(duì)基本電路的誤差進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析，然后給出校準(zhǔn)電路[17-18]，再通過仿真分析驗(yàn)證校準(zhǔn)電路的成果，最后得出結(jié)論。

1 雙極型晶體管的溫度特性

該文所設(shè)計(jì)CMOS溫度傳感器利用了縱向雙極型晶體管基極-發(fā)射極電壓VBE的溫度特性，依照雙極型晶體管的經(jīng)典理論，基極-發(fā)射極電壓VBE和集電極電流IC的關(guān)系表示為：

其中，q代表電子電荷量，k為Boltzmann常數(shù)，IS是飽和電流，T是絕對(duì)溫度。假設(shè)IC保持不變，VBE對(duì)T求導(dǎo)可得：

其中VT=kT/q。根據(jù)文獻(xiàn)[19]，IS與溫度T可以推導(dǎo)出如下關(guān)系：

其中，b是一個(gè)比例系數(shù)，m≈-3/2，Eg≈1.12 eV為硅帶隙能量。結(jié)合式（2）和式（3）可得：

當(dāng)VBE≈ 750 mV，T=300 K時(shí)，可算得 ?VBE/?T≈-1.5 mV/K，顯然VBE具有負(fù)溫度系數(shù)。同時(shí)式（4）也反映出VBE的實(shí)際溫度特性比較復(fù)雜，包含高階溫度特性。進(jìn)一步分析可以表明，VBE在-40～120℃范圍內(nèi)總體比較線性，同時(shí)存在一定程度的非線性[10]。

ΔVBE表示兩個(gè)BJT的VBE差值。假設(shè)兩個(gè)BJT都使用一樣的BJT單元（BJT Cell）并聯(lián)構(gòu)成，且BJT單元的個(gè)數(shù)比為1∶n，那么兩個(gè)BJT的飽和電流比值相應(yīng)為IS1∶IS2=1∶n。同時(shí)，假設(shè)兩個(gè)BJT的集電極電流比值為IC1∶IC2=m∶1，可以得到：

由式（5）很容易看出ΔVBE是一個(gè)具有正溫度系數(shù)的物理量，并且具有較好的線性度。ΔVBE的溫度系數(shù)為：

2 總體結(jié)構(gòu)與基本電路設(shè)計(jì)

圖1展示了該文所設(shè)計(jì)CMOS數(shù)字溫度傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，包含正溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路、負(fù)溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路、一階連續(xù)時(shí)間Σ-Δ調(diào)制器、計(jì)數(shù)器和I2C總線接口等6個(gè)主要模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電阻R1用來得到正溫度系數(shù)電流Ipos，電阻R2用來產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)電流Ineg。Ipos和Ineg同時(shí)輸入到一階連續(xù)時(shí)間Σ-Δ調(diào)制器，經(jīng)過電流切換、電流積分和電壓比較，輸出1位數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流中“1”和“0”的比例與Ipos和Ineg的大小比例關(guān)聯(lián)，也就是與溫度關(guān)聯(lián)。當(dāng)調(diào)制器輸出為“0”時(shí)，Ipos被積分；當(dāng)為“1”時(shí)，Ineg被積分，因?yàn)榱魅敕e分器的電流平均為0可得：

其中，r=R2/R1，u表示輸出數(shù)據(jù)流中“1”所占的比例。由式（7）可得：

當(dāng)r取合適的值時(shí)，分母VREF即為帶隙基準(zhǔn)電壓，是和溫度無關(guān)的一個(gè)值，分子與溫度成正比，u與溫度成正比。

Σ-Δ調(diào)制器輸出的1位數(shù)據(jù)流經(jīng)過計(jì)數(shù)器產(chǎn)生最終的溫度數(shù)據(jù)，通過I2C接口讀出。計(jì)數(shù)器有兩個(gè)重要參數(shù)：初始值和計(jì)數(shù)周期。初始值為計(jì)數(shù)開始時(shí)的起始值。計(jì)數(shù)開始后，調(diào)制器輸出為“1”時(shí)計(jì)數(shù)器加1，輸出為“0”時(shí)計(jì)數(shù)器保持原數(shù)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的計(jì)數(shù)周期后，計(jì)數(shù)結(jié)束并輸出最終計(jì)數(shù)值，即為溫度數(shù)據(jù)，然后開始新一輪計(jì)數(shù)。初始值和計(jì)數(shù)周期可以按如下方式設(shè)定，根據(jù)式（5）可以設(shè)：

這里TC表示攝氏度溫度，a為溫度系數(shù)，把式（7）代入式（8）并整理得：

式（10）中，由-273確定計(jì)數(shù)器初始值，由VREF/ra確定計(jì)數(shù)周期。結(jié)合應(yīng)用需求，該文中的計(jì)數(shù)器設(shè)定為13位，包含最高位符號(hào)位、9位整數(shù)和3位小數(shù)，分辨率為0.125℃。取最高位符號(hào)位、7位整數(shù)和3位小數(shù)組合形成11位溫度數(shù)據(jù)，由I2C接口進(jìn)行讀取。

Ineg和Ipos產(chǎn)生電路可參考文獻(xiàn)[16]。圖2為一階連續(xù)時(shí)間Σ-Δ調(diào)制器，放大器OP1和電容C0組成積分器，OP2為電壓比較器，D觸發(fā)器輸出形成1位數(shù)據(jù)流Dout，然后Dout控制電流開關(guān)SW1與電流開關(guān)SW2的導(dǎo)通與閉合。該文的設(shè)計(jì)運(yùn)用了0.35 μm CMOS工藝，使用5 V器件。

圖2 一階連續(xù)時(shí)間Σ-Δ調(diào)制器

3 基本電路的誤差分析

電路中存在多種非理想因素影響輸出精度，比如電流源或晶體管的失配、運(yùn)放的失調(diào)電壓、器件參數(shù)漂移、VBE溫度特性的非線性等。有的非理想因素可以通過電路設(shè)計(jì)技術(shù)來消除其影響，比如斬波技術(shù)[16]（Chopping）常用于消除器件失配、失調(diào)電壓以及閃爍噪聲的影響。但器件參數(shù)漂移、VBE溫度特性的非線性等難以通過電路設(shè)計(jì)技術(shù)消除其影響，該文主要研究器件參數(shù)漂移對(duì)精度的影響。

CMOS工藝中的諸多參數(shù)，比如摻雜濃度、摻雜分布、氧化層厚度等都會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。器件參數(shù)在不一樣的批次之間、同批次不一樣的晶圓中間，甚至同一晶圓不同芯片之間都存在較大的差異。工藝廠都會(huì)提供器件的工藝角（Process Corner）參數(shù)，反映器件參數(shù)漂移的范圍。通常在前期設(shè)計(jì)電路的階段都要驗(yàn)證電路在各種工藝角下是否能夠正常工作。該文所設(shè)計(jì)電路使用到了NMOS/PMOS晶體管、雙極型晶體管和多晶硅電阻，可以通過掃描工藝角和工藝角組合來分析溫度傳感器的精度。

因?yàn)锽JT作為核心感溫器件，所以與溫度有關(guān)的VBE和ΔVBE這兩個(gè)值是與溫度傳感器精度相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。由式（2）可以看出，只要BJT的面積比例以及偏置電流比例能夠準(zhǔn)確保證，那么ΔVBE基本不受工藝漂移的影響，而在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，這兩點(diǎn)還是相對(duì)比較容易保證的，但VBE依舊隨工藝的漂移比較大。多晶硅電阻，雖然阻值漂移也比較大，但電路和版圖設(shè)計(jì)上可以保證電阻的比值比較準(zhǔn)確，根據(jù)式（3），電阻的工藝漂移似乎對(duì)精度無影響。然而，電阻值漂移對(duì)精度的影響主要體現(xiàn)在VBE。從圖3（a）可以看到BJT的偏置電流Ibias由電阻產(chǎn)生，因此電阻值的漂移直接導(dǎo)致Ibias的漂移，進(jìn)而導(dǎo)致VBE的變化。圖3（a）顯示了不同工藝角和工藝角組合下的最終輸出溫度數(shù)據(jù)的誤差。能夠看到，Typical工藝角下的誤差非常小，而BJT的工藝漂移造成的最大誤差為2℃/-2.5℃，電阻的工藝漂移造成的最大誤差為5.4℃/-2.5℃，在BJT和電阻的共同影響下，即最差的情況下，誤差可以達(dá)到7.5℃/-5℃。

圖3（b）顯示了NMOS/PMOS晶體管參數(shù)漂移的影響，圖3（c）是工作電壓降到2.7 V的情況。可以看出，MOS晶體管的參數(shù)漂移以及工作電壓的變化對(duì)精度的影響非常有限。在設(shè)計(jì)正確的前提下，VBE和ΔVBE基本不受影響，精度也就變化不大。

4 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)及分析

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，在沒有校準(zhǔn)的情況下精度為±3℃。但分析結(jié)果顯示，工藝偏差所導(dǎo)致的最大誤差達(dá)到7.5℃/-5℃，表明精度與所使用工藝的穩(wěn)定性直接相關(guān)。因此，精度要達(dá)到±0.5℃必須使用校準(zhǔn)。根據(jù)前面的分析，誤差的主要來源于VBE，所以在基本電路的基礎(chǔ)上要增加針對(duì)VBE的校準(zhǔn)電路。

圖3 溫度數(shù)據(jù)讀出誤差

圖4所示的校準(zhǔn)電路實(shí)際上就是一個(gè)VBE產(chǎn)生電路，使用多路選擇器選擇VBE1和VBE2之間的一個(gè)值。校準(zhǔn)的原理比較簡單，就是選定一個(gè)VBE值使得最終輸出的溫度數(shù)據(jù)誤差最小。校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：第一，VBE1和VBE2要足夠?qū)挘采w到工藝漂移的最極端情況，也就是要確定好I1和I2的比例，以及Q1和Q2的面積比例；第二，校正碼C3C2C1C0的位數(shù)，對(duì)應(yīng)VBE的調(diào)整間隔，調(diào)整間隔要足夠小以確保精度可校準(zhǔn)到±0.5℃以內(nèi)。

根據(jù)仿真結(jié)果可以確定：I1/I2取2，Q1/Q2取4，校正碼取4位。校正碼的典型值為0110，實(shí)際上圖5所示都是在典型校正碼下的仿真結(jié)果。圖5（a）和圖5（b）給出了兩個(gè)極端工藝角組合情況下，逐步改變校準(zhǔn)碼，溫度數(shù)據(jù)誤差的變化情況。從圖中可以看到，在BJT=fast，Res=slow組合下，校正碼調(diào)整到1110時(shí)得到最佳精度；在BJT=slow，Res=fast組合下，校正碼調(diào)整到0000時(shí)得到最佳精度。兩種組合下最后精度都調(diào)整到了±0.5℃之內(nèi)。從圖5中也可以看到，誤差曲線顯示有一定的非線性，這來源于VBE溫度特性的非線性，可以看到其影響并不是很大。

圖4 VBE校準(zhǔn)電路

圖5 不同校正碼對(duì)應(yīng)的讀出溫度數(shù)據(jù)誤差

5 結(jié)束語

該文討論了高精度CMOS數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)。基于0.35 μm CMOS工藝通過工藝角仿真可以看到，在沒有校準(zhǔn)情況下，CMOS溫度傳感器在-40～120℃溫度范圍內(nèi)的最大誤差可以達(dá)到7.5℃/-5℃，表明必須進(jìn)行校準(zhǔn)，以達(dá)到±0.5℃的設(shè)計(jì)精度。根據(jù)對(duì)誤差來源的分析，該文給出了VBE校準(zhǔn)電路，以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)方法。仿真結(jié)果表明，引入校準(zhǔn)之后，溫度傳感器的精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。