電子技術在溫度傳感器中的應用研究

吳繼鋒

(馬鞍山理工學校, 安徽馬鞍山, 243000)

1 COMS正反饋式溫度傳感器概述

本次所研究的COMS正反饋式溫度傳感器是應用在半導體集成電路片上熱管理中的正反饋式新型溫度傳感器。具體設計中，將運算放大器中的正反饋結構設置在了PTAT電流轉化電路內，使其和電阻相結合，這樣便可對半導體器件中的微弱溫度變化信號做進一步的放大處理，使其輸出擺幅顯著增大，進而達到足夠的靈敏度與測量精度[1]。這種溫度傳感器在嵌入式系統、儲存器以及非制冷形式的紅外探測器等內部芯片溫度監測中都十分適用。

2 溫度傳感器設計中的電子技術應用分析

2.1 在PTAT電路結構設計中的應用

在本次所研究的COMS正反饋式溫度傳感器中，其溫度傳感器應用的是PTAT型電流源結構，通過該結構的應用，可實現系統誤差的有效降低。在傳統形式的溫度傳感器中，PTAT結構主要是在handgap這一結構基礎上衍生而來，而其PTAT電流到溫度的轉化與相應的電壓輸出僅僅通過簡單的電阻來實現，且電壓輸出范圍很小，測量精度不高。基于此，在本次設計中，為有效解決傳統溫度傳感器的設計弊端，特在電路中加設了運算放大器正反饋結構，使其和電阻之間進行有效結合，這樣便可對器件中微弱的溫度信號變化進行有效的放大處理，以此來實現輸出電壓的顯著提升。下圖是PTAT溫度傳感器電路傳統結構（左）和正反饋新型結構示意圖（右）。

圖1 PTAT溫度傳感器電路傳統結構（左）和正反饋新型結構示意圖（右）

在PTAT溫度傳感器正反饋新型結構中，Q1以及Q2應用的是NPN晶體管，具體設計中，將Q1的發射極面積設計為Q2發射極面積的8倍，其他各項參數保持一致。然后通過正反饋的形式進行連接，并對微弱的溫度變化信號進行放大處理。

對于PTAT溫度傳感器的傳統結構，如果將其中的MOS管M1、M2以及M3的寬長比設計為1:2:3。改進設計中，則需要按照以下的公式來進行計算：

在以上公式中，有VT=kT/q；其中，VBE1代表M1電壓輸出值；VBE2代表M2電壓輸出值；VR3代表M3電壓輸出值；Is代表晶體管發射機中的反向飽和電流值；k代表的是波爾茲曼常數；q代表的是電子所具有的電荷量；T代表的是溫度絕對值；Vtenp代表瞬態電壓輸出值。同時也有：IS1=8IS2[2]。

在本次設計中，應用的是虛短接法，其中有：

在該情況下，可以將公式（2）轉變為以下形式：

可以將公式（3）轉變為以下形式：

可以將公式（4）轉變為以下形式：

將公式（6）（7）（8）聯立可得出 ：

通過公式（9）可知，在本次基于電子技術所設計的PTAT溫度傳感器正反饋新型結構中，輸出電壓和溫度之間具有正比關系。因此，在通過該溫度傳感器進行溫度監測的過程中，當前的溫度變化情況可通過Vtemp來表示。

2.2 在運算放大器設計中的應用

在本次基于電子技術設計的PTAT溫度傳感器中，關于運算放大器，其主要的要求包括兩個方面，第一，需要將失調電壓有效降低，讓運算放大器的增益達到75dB以上；第二，為避免電源波動對于輸出電壓的過大影響，需要將電源抑制比控制在-75dB以下。基于此，在本次的溫度傳感器設計中，選擇了共源共柵折疊形式的運算放大器，相比較傳統的套筒放大器而言，其共模輸入范圍更大，可在后續的偏執電壓設置中提供足夠便利。下圖是本次基于電子技術設計的PTAT溫度傳感器運算放大器電路結構示意圖。

圖2 本次基于電子技術設計的PTAT溫度傳感器運算放大器電路結構示意圖

其中，M1-M5代表電流源；M6-M16代表偏置電路，其主要功能是對運算放大器進行偏置電壓的提供；M17-M27代表運算放大器中的放大結構；M18和M19代表PMOS中的差分輸入對。

具體設計中，應用的是UMC0.18μmCOMS工藝，在電容負載是1pF，溫度分別是-45℃、-15℃、15℃、45℃、75℃、105℃以及125℃條件下進行運算放大器電路的模擬仿真。通過仿真結果分析發現，當處在不同溫度條件下時，該運算放大器自身的增益值都可以超過75dB。通過計算與分析發現，在溫度是125℃時的增益值最小，其增益值僅僅是78.3dB；在溫度是-45℃時的增益值最大，其增益值達到了83.82dB。這與該溫度傳感器的實際應用需求完全相符。當處在不同溫度條件下時，該運算放大器的電源控制比都可以低于-75dB。通過計算與分析發現，在溫度是125℃時的控制比最大，其控制比是-83.51dB；在溫度是-45℃時的控制比最小，其控制比是-85.26dB。這與該溫度傳感器的實際應用需求完全相符。

2.3 在偏置電路設計中的應用

在本次基于電子技術的PTAT溫度傳感器設計中，應用的是無關于電源電壓以及溫度的典型帶隙基準源，以此來為運算放大器進行偏置電壓提供。借助于PTAT結構，可實現一個電流值的形成，這個電流值和溫度正相關。而在其整個的電路結構中，則會有一個電流產生，這個電流與上一個電流具有相同的系數，但是和溫度負相關，這樣便可讓獲得的電流和溫度無關。在通過電阻進行轉換之后，便可獲得到一個無關于溫度的基準電壓。將該基準源應用到本次基于電子技術所設計的PTAT溫度傳感器中，不僅可使其運算放大器輸入部分和其他部分的偏置電壓需求得以充分滿足，同時也不需要進行其他補償機構的加設[3]。

2.4 在溫度傳感器電路設計中的應用

圖3是本次基于電子技術所設計的PTAT溫度傳感器整體電路結構示意圖。

在該電路結構中，主要的組成部分有四個，第一是啟動電路，第二是偏置電路，第三是運算放大器，第四是溫度傳感器中的核心電路。具體設計中，將M1以及M2中的柵極左接地處理，導通之后便可為M4管進行柵壓提供；將M4管中的源極做接地處理，快速下拉其電壓，便可迅速將M5、M6、M7、M8、M13以及M14導通，以此來達到迅速啟動的效果；M18-M36屬于帶隙基準電壓源，其主要功能是將偏置電壓提供給是-45-125℃之間，其電壓輸出的取值范圍是1.704V。

圖3 本次基于電子技術所設計的PTAT溫度傳感器整體電路結構示意圖

經進一步分析發現，全部的取值點都與趨勢線十分接近。經進一步計算得出，其測量精度可控制在-0.21-+0.12℃之間；電壓線性度輸出值可達到99.93%。由此可見，該溫度傳感器的測量精度及其靈敏度都十分良好。

3 仿真結果分析

為確保電子技術在溫度傳感器中的應用效果，在本次通過電子技術進行PTAT溫度傳感器的設計之后，特對其在不同溫度條件下的電壓輸出值Vtenp瞬態進行了仿真，仿真過程中，每隔10℃進行一次結果取值。經仿真分析可知，在溫度運算放大器中的輸入端。運算放大器的連接方式為正反饋形式，以此來有效放大器件中的微弱溫度變化信號，實現溫度傳感器檢測范圍的擴大和檢測精度的提升。