一種新型正反饋式CMOS 溫度傳感器電路設計

陳力穎 ，楊依林 ，王 浩 ，張思敏

（1.天津工業大學 電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業大學 天津市光電檢測技術與系統重點實驗室，天津 300387）

隨著半導體行業的發展，集成電路的密度持續增加，導致工作時很容易產生較大熱量。尤其對于模擬集成電路而言，溫度對其工作性能有重大影響。為了監測芯片內溫度以提高系統的可靠性，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中及兼容于CMOS 工藝、易實現大規模制造進而節省成本等優點[1-5]。

目前溫度傳感器主要分為兩大類：時域溫度傳感器和電壓域溫度傳感器。時域溫度傳感器主要基于溫度敏感頻率或者延遲時間。傳統時域感溫電路受電源電壓和非線性等因素的影響較嚴重，因此具有較大的測溫誤差，例如文獻[6]中的溫度傳感器設計，此類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表征溫度信息，具有高精度與高分辨率等優點，適用于片上熱管理，例如文獻[7-8]中的溫度傳感器設計。

傳統電壓域溫度傳感器結構主要由bandgap 結構衍生而來，其輸出范圍較小，不利于提高精度[3]。

本文設計了新型正反饋式溫度傳感器，在PTAT電流轉化部分將運算放大器正反饋結構融入電路中，與電阻結合，對器件由于溫度變化產生的微弱信號進行進一步放大，提高了輸出擺幅，以達到很高的測量精度和靈敏度，適用于非制冷紅外探測器、存儲器以及嵌入式系統等芯片內部溫度的監測。

1 電路設計

1.1 PTAT 電路結構

本文CMOS 片上溫度傳感器采用PTAT 電流源結構，減小系統誤差。新型PTAT 電壓結構如圖1 所示。

圖1 本文新型PTAT 電壓結構與傳統結構對比Fig.1 Comparison between new PTAT voltage structure and traditional one

傳統溫度傳感器結構如圖1（a）所示，主要由bandgap 結構衍生而來，PTAT 電流轉化為與溫度相關的輸出電壓僅由簡單的電阻完成，而且輸出電壓范圍較小，不利于提高精度。本設計如圖1（b）所示，針對傳統結構的劣勢，將運算放大器正反饋結構融入電路中，與電阻相結合對器件由于溫度變化產生的微弱信號進行進一步放大，提高輸出電壓。

圖1（b）中 Q1 和 Q2 采用 NPN 型晶體管，Q1 發射極面積設置為Q2 的8 倍，其他參數一樣。運放采用正反饋的連接方式，對微弱信號進行放大。

針對傳統結構圖 1（a），把 MOS 管 M1、M2、M3的寬長比設為1∶1∶2 的比值關系時有公式推導如下：

式中：VT=kT/q；IS為晶體管發射極反向飽和電流；k 為玻爾茲曼常數；q 為電子電荷量；T 為絕對溫度。另有IS1=8IS2。

對于本設計圖1（b）中運放“虛短”接法，則有Vref=VR2、VR1=VR3。則公式（2）變為：

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

1.2 運算放大器的設計

運算放大器（以下簡稱運放）在本電路系統中扮演著放大器件由于溫度變化產生的微弱信號、提高輸出電壓范圍的重要角色。本系統對運放的要求主要為兩方面：①為減小失調電壓，運放增益≥75 dB；②為減小電源波動對輸出電壓的影響，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于套筒式放大器更大[9-14]，這可以為后續偏置電壓的設置提供便利。本設計中運放電路結構如圖2 所示。

圖2 運算放大器Fig.2 Operational amplifier

圖2 中運放結構放大電路由M17—M27 組成。M1—M5 為電流源，M18、M19 組成 PMOS 差分輸入對。偏置電路由M6—M16 構成，為運算放大器提供偏置電壓。

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

圖3 運算放大器不同溫度下穩態仿真曲線Fig.3 Steady-state simulation curve of operational amplifier under different temperatures

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

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

1.3 偏置電路設計

本文采用與電源電壓和溫度無關的典型帶隙基準源為運放輸入端及其他部分提供偏置電壓。

PTAT 結構能產生與溫度成正相關的電流，Q3（圖5）則產生一個相等溫度系數的、與溫度成負相關的電流，從而得到一個與溫度無關的電流，再經過電阻轉換為一個與溫度無關的基準電壓[15-17]。本文帶隙基準源的設計僅以滿足運放輸入及其他部分偏置電壓需求為主，不需要添加其他復雜的補償結構。

1.4 溫度傳感器電路設計

新型片上溫度傳感器整體電路結構如圖5 所示。

圖5 電路包括啟動電路、偏置電路、運算放大器和溫度傳感器核心電路4 個部分。M1、M2 柵極接地，導通后為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 快速導通，起到快速啟動的作用。M18—M36 為帶隙基準電壓源，為運放輸入端提供偏置電壓。運放采用正反饋連接，對器件由于溫度變化產生的微弱信號進行放大，進而增加輸出范圍，提高精度。

圖5 溫度傳感器電路整體結構Fig.5 Overall structure of temperature sensor circuit

本文設計的溫度傳感器采用UMC 0.18 μm CMOS工藝，在3.3 V 電源電壓下，溫度范圍為-45～125 ℃時，輸出電壓直流模擬仿真得到結果如圖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，輸出電壓與絕對溫度成正比關系，且線性度良好，輸出電壓范圍為0.569～3.273 V。后文將對此仿真結果做進一步的詳細分析。

2 仿真結果分析

在不同溫度下對輸出電壓Vtemp進行瞬態仿真，間隔10 ℃取一個仿真結果。在溫度范圍為-45～125 ℃時，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，所有的取值點都散落在趨勢線（紅色直線）附近很小的范圍內。同時將靈敏度定義為：

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

表1 所示為本文設計的溫度傳感器與其他溫度傳感器的性能比較。

由表1 可知，對比其他傳統溫度傳感器結構，本文的溫度傳感器設計通過運放正反饋結構與電阻結合，從而加大輸出電壓的范圍，即增大△Vtemp，進而獲得了很高的靈敏度以及較高的精度。本文所設計的片上溫度傳感器性能更佳。

表1 性能參數對比Tab.1 Comparison of performance parameters

3 結 論

本文新型正反饋式片上溫度傳感器的設計，與傳統結構相對比，在PTAT 結構將環境溫度轉換為溫度等效電流時，利用運算放大器正反饋結構，對器件由于溫度變化產生的微弱信號進行進一步放大。采用UMC 0.18 μm CMOS 工藝模擬仿真得到，在-45 ～ 125 ℃溫度范圍內，輸出電壓為0.569 ～3.273 V，輸出電壓曲線線性度達99.93%，靈敏度為15.9 mV/℃，測量精度為0.12 ℃/-0.21 ℃。由此可知通過增加運放正反饋使輸出電壓范圍增大，成功的提高了測量精度以及靈敏度。本設計在非制冷紅外探測器、存儲器以及嵌入式系統等芯片領域將有廣闊的應用前景。