基于CMOS集成溫度傳感器的電路設(shè)計(jì)與仿真

吳夢(mèng)維，王振鐸

(哈爾濱理工大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

近年來(lái)，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)已廣泛用于傳感器電路設(shè)計(jì)。2016年，Mansoor等人[1]設(shè)計(jì)了一種硅絕緣體CMOS多傳感器微機(jī)電系統(tǒng)芯片，其可以同時(shí)測(cè)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(tǒng)中光探測(cè)器的暗電流抑制技術(shù)。CMOS溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括體積小、成本低、性能高，且易于批量生產(chǎn)。在眾多工業(yè)應(yīng)用中，溫度傳感器可在-30～125 ℃的寬溫度范圍內(nèi)工作[3]。通常使用雙極型和金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)片上傳感器，例如溫度傳感器[4]。在雙極型晶體管中，基極-發(fā)射極電壓與飽和電流用于提取基本信號(hào)。而在MOS晶體管的情況下，基本信號(hào)來(lái)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(shè)計(jì)基于CMOS的集成溫度傳感器，其主要由偏置電路、運(yùn)算放大器以及熱傳感器組成。文中討論了電路的主要設(shè)計(jì)，包括偏置電路、運(yùn)算放大器電路、熱傳感器。并在50 nm工藝下對(duì)電路進(jìn)行仿真，得出該傳感器的溫度系數(shù)為5.9 mV /℃。

1 溫度傳感器設(shè)計(jì)

1.1 溫度傳感器原理

圖1所示為溫度傳感器電路的結(jié)構(gòu)。傳感器電路由電流鏡像源，一對(duì)雙極型晶體管和一個(gè)電阻組成。Q1和Q2是兩個(gè)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(guān)系[6]為

(1)

(2)

其中K是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷，T是絕對(duì)溫度；γ是Q1和Q2的發(fā)射極面積比。當(dāng)γ=1時(shí)，式(2)有效。根據(jù)式(1)和式(2)，當(dāng)溫度升高時(shí)，基級(jí)-發(fā)射極電壓降低，因此，傳感器可以將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

圖1 溫度傳感器原理圖

1.2 偏置電路設(shè)計(jì)

為了給放大器電路提供偏置，偏置電路分為啟動(dòng)電路和β乘法器電路。啟動(dòng)電路集成在一起，以確保電路穩(wěn)定在正確的工作點(diǎn)。Liu X等人[7]提出的β乘法電路可用于實(shí)現(xiàn)MOS源側(cè)的電阻，同時(shí)還可計(jì)算電流數(shù)據(jù)。根據(jù)圖2所示，VGS1和VGS2之間的關(guān)系表示為

VGS1=VGS2+IREF·R1,VGS1>VGS2

(3)

為滿足式(3)，為M2的β2選擇較大的W2/L2。 然后，只需要一個(gè)較小的柵源電壓便可獲得所需的電流IREF。電壓和電流之間的關(guān)系為[8]

(4)

(5)

β2=K·β1

(6)

所以

(7)

在β乘法電路參考電壓源中，M1的柵極電壓總是與溫度有關(guān)。通過(guò)Spice軟件模擬，結(jié)果顯示溫度變化為60 mV / 100 ℃[9]。

圖2 β乘法電路圖

短溝道偏置電路由β乘法器電路和基準(zhǔn)電路組成。 根據(jù)式(8)～式(15)，計(jì)算電路參數(shù)。在短溝道偏置電路設(shè)計(jì)中，柵極-源極電壓VGS和閾值電壓VTHN之間的差值是柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓VOVN。柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓是一個(gè)重要的參數(shù)，其與MOS反轉(zhuǎn)頻率fT成正比。為了實(shí)現(xiàn)更高的工作速度，漏電流ID和跨導(dǎo)gm均與MOS的寬度有關(guān)。

VOVN=VGS-VTHN≠VDS,Sat

(8)

VOVN=70 mV→VGS=350 mV

(9)

(10)

ID=Vsat·Cox·W·(VGS-VTHN-VDS,sat)

(11)

(12)

ID=10 μA

(13)

gm=150 μA/V

(14)

(15)

1.3 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

運(yùn)放模塊如圖3所示，其中，包括差分放大器和二級(jí)放大器。采用共源共柵結(jié)構(gòu)差分放大器作為第一級(jí)放大器，vp和vn為輸入端，其的輸出為V1out。次級(jí)放大器是一個(gè)共源放大器，該放大器的輸出是V2out。整個(gè)放大器的增益AOLDC取決于兩級(jí)增益A1和A2的乘積，如式(16)所示。A1是差分放大器的增益，其取決于跨導(dǎo)gmn和輸出電阻R1的乘積。在差分放大器中，輸出電阻R1是ron和rop的并聯(lián)電阻，可由式(18)給出。A2是次級(jí)放大器的增益，其取決于跨導(dǎo)gmp和輸出電阻R2的乘積。采用高增益的單級(jí)放大器來(lái)避免兩級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性補(bǔ)償，故需要高跨導(dǎo)gm[10]。在次級(jí)放大器中，輸出電阻R2近似等于由式(19)給出的rop。

AOLDC=A1·A2=gmn·(ron‖rop)·gmp·rop

(16)

A1=gmn·R1,A2=gmp·R2

(17)

R1=ron‖rop=111 kΩ

(18)

R2=ron‖rocasn?rop=333 kΩ

(19)

(20)

這些電路包含一個(gè)由C1實(shí)現(xiàn)的輸出緩沖器。放大器的輸出電阻rop為333 kΩ。若將緩沖器添加到次級(jí)放大器的輸出端，電路將獲得合適的增益和良好的電源抑制比。雖該過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致次級(jí)增益降低，但由于第一級(jí)電路增益更大，電路仍可獲得更合理的整體增益。在第一級(jí)電路中，差分放大器增益為500；第二級(jí)放大器采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其增益取決于其驅(qū)動(dòng)負(fù)載阻力。 若沒(méi)有負(fù)載連接到另一個(gè)輸出，則增益如下

(21)

AOLDC=A1·A2=15 800

(22)

20lgAOLDC=84 dB

(23)

最后，整體運(yùn)算放大器增益為84 dB。

圖3 運(yùn)算放大器電路圖

1.3 熱傳感器電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，熱傳感器的結(jié)構(gòu)由幾個(gè)部分組成。Q1和Q2是兩個(gè)NPN雙極型晶體管，vp和vn是運(yùn)算放大器的輸入端，M30是一個(gè)共源放大器，用于獲得更高的精度。

圖4 熱傳感器電路圖

2 電路仿真

圖5 擬合曲線圖

本文采用LTspice and Matlab進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并在50 nm工藝下對(duì)傳感器電路進(jìn)行仿真。取傳感器輸出節(jié)點(diǎn)作為模擬測(cè)試點(diǎn)，其也是整個(gè)電路的輸出端。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，擬合曲線如圖5所示，點(diǎn)和線分別代表原始數(shù)據(jù)與擬合曲線。輸出電壓V與溫度T之間的關(guān)系為

V=-0.005 9T+3.897 3

(24)

溫度系數(shù)為5.9 mV /℃，這意味著當(dāng)溫度每變化1 ℃時(shí)，電壓將改變5.9 mV。

3 結(jié)束語(yǔ)

為提高溫度傳感器的測(cè)量精度及縮小其面積與功耗，本文設(shè)計(jì)了一種使用NPN晶體管進(jìn)行溫度測(cè)量的完全集成CMOS半導(dǎo)體傳感器，并在50 nm技術(shù)中模擬了可以感知溫度變化的全集成CMOS傳感器。由于采用了50 nm技術(shù)，節(jié)省了應(yīng)用電路的面積，降低了功耗，且提高了運(yùn)行速度。在-30～125 ℃的測(cè)試范圍內(nèi)，溫度傳感器的靈敏度為5.9 mV/℃。該設(shè)計(jì)可以植入集成電路中以監(jiān)測(cè)芯片上的溫度，并確保芯片的安全。