基于新型延遲電路的CMOS片上溫度傳感器*

李碩明（中山職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院，廣東中山528404）

基于新型延遲電路的CMOS片上溫度傳感器*

李碩明*
（中山職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院，廣東中山528404）

為在較大溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的片上溫度檢測，提出一種基于新型延遲電路的CMOS時域溫度傳感器。該傳感器以新型延遲電路為基礎(chǔ)，利用二極管連接的雙極結(jié)型晶體管（BJT）生成PWM信號，相較于其它時域溫度傳感器，僅需要單一偏置電流以及比較器就可生成PWM信號；利用簡易的數(shù)字計數(shù)器可確定占空比，且占空比會被轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；傳感器設(shè)計采用了0.18 μm CMOS技術(shù)。實際測試結(jié)果顯示，相較于其它類似傳感器，提出的傳感器在較寬的溫度范圍內(nèi)精確度較高；在兩個溫度點上進行數(shù)字校準之后，在0～125℃范圍內(nèi)的精確度為±0.1℃；電源為1.5 V時，此傳感器僅消耗了2.48μA，功耗為3.8μW。

時域溫度傳感器；延遲電路；低電壓低功率；時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）

CMOS片上溫度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于硅集成電路應(yīng)用中，主要用于實現(xiàn)高度精確、節(jié)能、低成本的溫度數(shù)字采集功能。包括低功率的感應(yīng)領(lǐng)域，如生物醫(yī)學、生命科學和物流等領(lǐng)域。大致來說，CMOS片上溫度傳感器可分為3大類［1］：

（1）電壓傳感器該類傳感器利用隨溫度而變的電壓電源以及電壓ADC，將溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值［2-3］。文獻［3］中的傳感器利用了雙極設(shè)備和變焦ADC，并結(jié)合了SAR和ΔΣ原理。在-55℃～125℃的溫度范圍內(nèi)，傳感器的精確度高達±0.15℃，并且功耗為5.1μW。然而，由于ADC十分復雜，傳感器實現(xiàn)成本較高。

（2）頻率溫度傳感器該類傳感器的結(jié)構(gòu)與之前提及的溫度傳感器相似，隨著溫度變化，傳感器的輸出頻率發(fā)生相應(yīng)改變［3-4］。在0～100℃范圍內(nèi)，文獻［5］中記錄的傳感器的誤差為-1.6℃/+3℃，且功耗為200 nW。

（3）時域溫度傳感器該類傳感器中，延遲發(fā)生器生成的數(shù)字脈沖帶有隨溫度而變的延遲，如文獻［6］。利用簡易的數(shù)字計數(shù)器可實現(xiàn)時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），此轉(zhuǎn)換器可以測量延遲，并生成相應(yīng)的數(shù)字輸出。利用開關(guān)電容電路［7］或者逆變器可實現(xiàn)延遲發(fā)生器［5-6］。文獻［7］中提出了超低功率片上CMOS溫度傳感器，功率為100 nW，且轉(zhuǎn)換率為25 sample/s。在-20℃～+30℃范圍內(nèi)，誤差為±0.8℃，且分辨率為0.2℃。然而，由于溫度范圍較小，僅限于小范圍內(nèi)使用。文獻［8-9］中提出了逆變型延遲發(fā)生器；經(jīng)過兩點校正之后，在0～+90℃的范圍內(nèi)誤差為-0.4℃～+0.6℃。當轉(zhuǎn)換率為2 sample/s時，傳感器的平均功耗為36.7μW。

本文提出了一種新型時域低電壓低功率CMOS片上溫度傳感器，適用的溫度范圍為-40℃～125℃。該傳感器中的PWM發(fā)生器以新型延遲電路為基礎(chǔ)，利用二極管連接的雙極結(jié)型晶體管生成PWM信號，此信號的占空比與絕對溫度成正比。實際測試結(jié)果顯示，在兩個溫度點進行校準之后，在0～125℃的范圍內(nèi)，傳感器的精確度高達±0.1℃。

1　新型延遲發(fā)生器電路設(shè)計

圖1是提出的延遲發(fā)生器原理圖，隨溫度改變而發(fā)生變化。本結(jié)構(gòu)包含3個模擬路徑，通過電流為偏置電流Ibias。最右端的路徑由C1和S1組成。開啟或關(guān)閉S1會分別致使Ibias向C1充電或放電。中間路徑由二極管連接雙極晶體管Q1組成，能夠生成電壓VBE1。最左端的路徑由C2、S2和Q2組成。S2用于重置C2。Q2的發(fā)射極面積是Q1的n倍，Q2可以生成電壓VBE2。根據(jù)S3的位置，比較器會將VC1或者VC2與VBE1進行比較。

圖1　提出的延遲發(fā)生器原理圖

同時重置C1和C2可以生成PWM信號［10］，然后利用Ibias向C1充電直至VC1=VBE1，最后，利用Ibias向C2充電直至VC2=VBE1。圖2是對應(yīng)電壓波形以及開關(guān)時序S1…3，期望的PWM輸出信號由此生成。

電容器的充電時間t1和t2取決于：

圖2　延遲發(fā)生器內(nèi)部的波形以及信號時序

根據(jù)總充電時間可以得出PWM周期tp。

對應(yīng)的占空比Q可表示為：

CT，VBE和 CT，ΔVBE可以分別表示 VBE1和 ΔVBE的溫度系數(shù)。如果選取的電容比m=C2/C1可以讓m= |CT，VBE/CT，ΔVBE|，則：

在式（6）中，VBG代表虛擬帶隙電壓，顯然不能用電路元件構(gòu)建。由于ΔVBE=ln（n）kT/q，占空比Q最終可表示如下：其中，k表示玻爾茲曼常數(shù)，q表示元電荷，T表示開爾文溫度：

根據(jù)式（7）可知，Q（T）與絕對溫度成正比。盡管文獻［7］中的電路會利用兩個帶有互補溫度系數(shù)的電流，但是本文提出的結(jié)構(gòu)僅需要單一偏置電流。未發(fā)現(xiàn)有關(guān)溫度系數(shù)的特定限制，原因在于常?？梢园凑帐剑?）的要求設(shè)計m。由于n=8，CT，VBE≈-2mV/℃并且CT，ΔVBE≈ln（n）·0.087mV/℃，得出m≈11。由于VBG≈1.2 V，當T∈［-40℃，125℃］時，Q（T）會在38.6%～66%的范圍內(nèi)變化。

2　延遲發(fā)生器的具體實現(xiàn)分析

提出延遲發(fā)生器的CMOS實現(xiàn)必須考慮到多個非理想因素。開關(guān)S1和S2均有非零導通電阻Ron以及有限的斷開電阻Roff。尺寸最小的晶體管可以使Roff最大化，但是Ron會增加，并且在每個充電周期開始時會導致C1和C2出現(xiàn)非零初始電壓。這樣，連同比較器的偏移誤差會導致t1、t2和tp（式（1）～式（4））出現(xiàn)時序誤差，也就會出現(xiàn)式（5）中的非線性占空比誤差。難以對這些誤差進行數(shù)字化補償，原因在于誤差電壓同樣也與溫度有關(guān)。

Q（T）中的非線性更多是來源于比較器的有限傳播延遲tpd，1和tpd，2，常常會將它們分別添加至充電時間t1和t2。然而，如果設(shè)計的電路會致使PWM周期tp足夠長，以致于可以忽略此效應(yīng)，就不需要特定的傳播延遲補償技術(shù)。

圖3是本文提出的延遲發(fā)生器的實現(xiàn)。與圖1相比之下，通過開關(guān) S3可將Ibias1連接至4個節(jié)點（VC1、VC2、VBE2以及GND）之中的一個，這樣，C1和C2可由相同電流源充電，如圖4（b）和圖4（d）所示。圖4是提出延遲發(fā)生器電路在4個切換相位時的等效電路，其中的4個切換相位，如圖5（c）所示。因此，只有 Ibias1和 Ibias2需要精確匹配。Ibias3并非關(guān)鍵，原因在于其僅用于維持Q2的偏置點，如圖4（a）和圖4（b）所示。當閑置電容器短路時，Ibias1都會流經(jīng)一個電容器。即使在Ron較高的情況下，也可以消除通過電容器的初始電壓。重疊時鐘可以對S1和S2進行控制，這樣，C1和C2可以免受S3和S4的電荷注入。同時，在重疊期間，也會排出比較器輸入及電線的寄生電容。四相切換方案包括一個重置相位（在啟動傳感器之前，模擬部分中的電壓處于靜止狀態(tài)）。

圖3　提出的延遲發(fā)生器的具體實現(xiàn)

圖4　延遲發(fā)生器等效電路

圖5（a）是零偏移理想比較器的波形。比較器會即時向點發(fā)送信號，Vin會準確通過VBE1設(shè)置的閾值?，F(xiàn)在，假設(shè)Vos≠0。需要Vin超過VBE1+Vos來切換比較器，從而，t1和t2會按比例增加或減少，這取決于Vos的符號，如圖5（b）所示。比較器會利用斬波器拓撲結(jié)構(gòu)消除偏移電壓Vos的影響，如圖5（c）所示?；诒壤瓌t，通過每隔一個周期對斬波器的極性進行顛倒，計算t1和t2的平均值，可完全補償偏移產(chǎn)生的誤差。

圖5　各類型比較器輸入電壓Vin

3　傳感器結(jié)構(gòu)組成

圖6是提出溫度傳感器的設(shè)計原理圖，該感器由一個延遲發(fā)生器和一個TDC組成。其結(jié)構(gòu)與文獻［7］中的傳感器相似，但是卻只需要單一偏置電流。TDC可以測量延遲發(fā)生器生成的PWM信號的占空比，并且會在每個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時輸出對應(yīng)的數(shù)值Dout，Dout為判斷指示信號。

圖6　提出的CMOS溫度傳感器的結(jié)構(gòu)圖

4　實驗結(jié)果

采用0.18μm CMOS技術(shù)實現(xiàn)了提出的溫度傳感器，測試芯片電路的顯微照片如圖7所示。延遲發(fā)生器和數(shù)字邏輯的面積分別為0.076 mm2和0.072mm2。電容器陣列的面積為0.55mm2；為了能夠有足夠長的PWM周期以達到預期的精確度，此面積是必需的。在室溫下，當電源為1.5 V時，延遲發(fā)生器會消耗1.5μA。由于并未將測試芯片上任何外圍邏輯組件做出的電流貢獻計算在內(nèi)，如：串行數(shù)據(jù)接口，傳感器的固有數(shù)字部分消耗了大約1μA。樣機的轉(zhuǎn)換時間為1.2ms，與PWM周期的長度相對應(yīng)。

圖7　測試芯片的照片

圖8是測量裝置，用于確定絕對溫度誤差以及校準設(shè)備。傳感器芯片樣品是粘在Pt1000基準電阻上面，當氣溫在-40℃～125℃范圍內(nèi)以5℃的梯度自動變化時，每一個梯度都會保持60 s，這樣可以在獲取讀數(shù)之前在被測設(shè)備內(nèi)部建立熱平衡。10MHz的片外時鐘以及片上計數(shù)器是用于評估PWM信號。該TDC配置的分辨率每次計數(shù)都大約為0.06℃。

圖8　測量設(shè)置

圖9是校準前后的實測誤差，范圍為2℃～9℃。在溫度掃描之后，利用在主機軟件上執(zhí)行的線性校正函數(shù)Tcorr=αTraw+β對原始傳感器數(shù)據(jù)進行校正。利用對應(yīng)的Pt1000讀數(shù)校準0～80℃范圍內(nèi)的校正函數(shù)之后，在-40℃～125℃的全溫范圍內(nèi)，提出的CMOS傳感器的絕對誤差為-0.1℃～0.5℃；在0～125℃的范圍內(nèi)，絕對誤差為±0.1℃?？傮w分辨率為0.28℃，主要限制來源于偏置源以及開關(guān)產(chǎn)生的熱噪聲和閃光噪聲。表1是對性能的總結(jié)及比較。

圖9　校準前后的誤差測量結(jié)果

表1　與參考文獻傳感器的性能比較

5　結(jié)論

本文提出了一種新型低電壓低功率時域溫度傳感器電路，采用0.18μm CMOS技術(shù)制成。傳感器的PWM發(fā)生器以新型延遲電路為基礎(chǔ)，其占空比與絕對溫度成正比。通過利用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器測量占空比，獲得了數(shù)字溫度值。利用在微控制器或主系統(tǒng)軟件上執(zhí)行的線性校正函數(shù)可以數(shù)字化校正原始傳感器讀數(shù)的絕對誤差。在兩個溫度點進行校準之后，在0～125℃的范圍內(nèi)，傳感器的精確度高達±0.1℃。實驗結(jié)果表明，相較于其它先進的設(shè)備，本文提出的傳感器在較寬的溫度范圍內(nèi)精確度較高，同時運行速度快，并且節(jié)能，適用于各種低成本和低功率的傳感應(yīng)用領(lǐng)域。

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李碩明（1981-），男，漢族，工程師，博士研究生，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、智能信息處理，lishuoming404@sina.com。

CMOSon-Chip Temperature Sensor Based on a NovelDelay Circuit*

LI Shuoming*
（School of Information Engineering，Zhongshan Polytechnic，Zhongshan Guangdong 528404，China）

In order to realize high precision on-chip temperature detection，a CMOS time domain temperature sensorbased on noveldelay circuit is proposed.The sensor isbased on a noveldelay circuit，the PWM signal isgenerated by the diode connected bipolar junction transistor（BJT），and the PWM signal is generated by a single bias current and a comparator.A simple digital counter can be used to determine the duty cycle，and the duty cycle can be converted into a digital value.The sensor is designed with 0.18 CMOSM technology.The test results show that the accuracy of the proposed sensor ishigher than thatofother similar sensors in awide temperature range.After a digital calibration at two temperature points，the sensor isaccurate to±0.1℃from 0℃to 125℃.Itdraws only 2.48μA from a 1.5 V supply，corresponding to a power dissipation of3.8μW.

time domain temperature sensor；delay circuit；low voltageand low power；time to digitalconverter（TDC）EEACC:7230；7320R

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.007

TP212.11

A

1005-9490（2016）04-0785-05

項目來源：中山市科技計劃項目（2015B2357）

2015-11-15修改日期：2016-01-06