新型CMOS溫度傳感器的設(shè)計

陳力穎，譚 康，王 焱，呂英杰

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點實驗室，天津300387； 3.天津鵬翔華夏科技有限公司，天津 300457)

0 引言

與傳統(tǒng)的液體溫度計、電阻式溫度傳感器，以及熱電偶式溫度傳感器相比，CMOS溫度傳感器具有體積小、功耗低、成本低、精度高、易集成、兼容性強(qiáng)等特點[1]。本文所設(shè)計一款基于UMC 0.18 μm 1P6M工藝的高精度新型CMOS溫度傳感器。此溫度傳感器可以單獨使用，也可以與其他系統(tǒng)實現(xiàn)直接通信，顯著降低了集成難度以及系統(tǒng)的設(shè)計難度。所以這種新型CMOS溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有明顯的優(yōu)勢。而且信號的處理和數(shù)字化都可以在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)，顯著提高了抗干擾能力。

1 電路結(jié)構(gòu)及原理

1.1 PTAT電壓轉(zhuǎn)換電路

本文設(shè)計的溫度傳感器是根據(jù)傳統(tǒng)PTAT電流的產(chǎn)生原理，并在后期輸出電路中進(jìn)一步增加精度處理。該電路結(jié)構(gòu)具有線性度好、電源抑制比較高等優(yōu)點；而且由于其是基于雙極型晶體管基極與發(fā)射結(jié)之間電壓的溫度特性而設(shè)計，因此輸出形式可控?；谝陨弦蛩兀疚奶岢隽溯敵鲭妷弘S溫度變化的PTAT電流源結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 PTAT電壓結(jié)構(gòu)

雙極性晶體管具有良好的溫度特性，可以作為溫度傳感器的元件。電路正常工作時，需要PTAT電流源保持平衡，這就要求運(yùn)放正負(fù)輸入端的電壓相等，P1、P2兩管的漏電流相等。為了避免工藝引起的誤差，所以引入R1、R2、R33個電阻來調(diào)節(jié)支路電流。Q1、Q2為兩個二極管連接形式匹配的BJT，在設(shè)計時，使Q1與Q2的結(jié)面積成8倍的關(guān)系，使得在設(shè)計時，實現(xiàn)中心對稱，減小不匹配帶來的誤差[2-3]。圖1中，Q1，Q2都工作在飽和區(qū)，則：

(1)

(2)

式中：VEB1、VEB2為晶體管Q1、Q2正偏時的E-B結(jié)壓降；VT=KT/q；IS1,IS2分別為Q1、Q2的反向飽和電流。

如果忽略其他因素的影響，把MOS管P1、P2、P3的寬長比設(shè)為相同的比值時，則IS1=8IS2。

將流過Q1、Q2、R4的電流分別記為I1,I2,I3，當(dāng)差動放大器工作在負(fù)反饋模式下，且電路穩(wěn)定工作時：

I2R1+VBE2=VBE1

(3)

式中IS1、IS2分別為Q1與Q2的反向飽和電流。

VT=KT/q，所以能得到：

(4)

式中A1、A2分別為Q1與Q2的發(fā)射結(jié)面積。

當(dāng)P1與P2的柵源電壓相等時，則：β1/β2與A1/A2的比值均為常數(shù)[4-5]。因此，可以得到一個和溫度T成正比的輸出電壓VTemp，用來表示當(dāng)前溫度。

另外，如果VCC變大，會使流過Q1與Q2的支路電流提高，電阻R1兩端的電壓線性上升，而流過R1的電流與Q2兩端的電壓VBE2呈對數(shù)關(guān)系，這樣，R1兩端的電壓比Q2兩端的電壓VBE2增速更快，因此，反向輸入電壓會減小，那么對于P1管而言，柵極輸入電壓會上升，漏電流會減少[6-7]。而運(yùn)算放大器工作在深度負(fù)反饋模式下時，該點工作電壓不變并且狀態(tài)保持穩(wěn)定。

1.2 溫度傳感器核心電路

圖2為溫度傳感器結(jié)構(gòu)中折疊共源共柵運(yùn)算放大器A1的結(jié)構(gòu)圖，分為偏置電路和折疊共源共柵運(yùn)放電路兩部分；圖3為溫度傳感模塊整體結(jié)構(gòu)，包括啟動電路、核心電路以及溫度輸出部分。分析可知，R2支路電流IR2是一個與絕對溫度成正比的量，而IR3=IR2=IR1，因此IP1與絕對溫度成正比[8-9]。P3與P4構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，則P4管的漏極電流IP4即為所求的PTAT電流，流經(jīng)電阻R5后產(chǎn)生的壓降即為與絕對溫度成正比的電壓VT。

圖2 運(yùn)算放大A1結(jié)構(gòu)

偏置電路提供穩(wěn)定的偏置電壓，再通過3個電流鏡結(jié)構(gòu)分別得到不同的電壓，為運(yùn)放提供偏置。為了使偏置電路中的兩個靜態(tài)工作點偏離零工作點，引入了啟動電路。啟動電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)VCC從零上升到正常工作電壓時，P2管使A1內(nèi)的M12導(dǎo)通，M14與M15產(chǎn)生漏電流，M12與M13的柵壓降低，隨著啟動電路內(nèi)N1管的柵壓升高，P2關(guān)斷，啟動電路工作結(jié)束[10-11]。

圖3 CMOS溫度傳感器核心結(jié)構(gòu)

這樣，就能得到所需的與溫度成正比的輸出電壓VT；但是，如果要使此溫度傳感器同樣能適用于人體溫度檢測，圖3所示的溫度傳感器核心結(jié)構(gòu)的輸出電壓VT并不能作為最終結(jié)果，因為人的體溫變化范圍相對較小，所以需要進(jìn)一步提高輸出精度。圖4所示為體溫傳感模塊的最終結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)的兩個輸入極分別為圖3與溫度成正比的輸出電壓VT和基準(zhǔn)輸出電壓Vref，經(jīng)兩個結(jié)構(gòu)相同的Buffer輸入，電阻R1、R2、R3、R4與放大器A2組成減法運(yùn)算電路。Buffer的作用是降低系統(tǒng)的失調(diào)電壓，使放大器A2的輸入端結(jié)構(gòu)相同，并提高輸出功率[12]。運(yùn)算放大器A2工作在負(fù)反饋模式下，Vout滿足以下關(guān)系：

(5)

式中：VT為圖3所示的輸出電壓；Vref為一個約為1.25 V的基準(zhǔn)源。

37.5 ℃下體溫傳感模塊輸出電壓的值約為806 mV，可通過調(diào)節(jié)電阻使Vref[R4/(R2+R4)]為806 mV的準(zhǔn)確值，VT與806 mV的差值放大R3/R1倍后與806 mV相加，得到在35～45 ℃范圍內(nèi)的精確輸出電壓。

圖4 體溫傳感模塊結(jié)構(gòu)圖

2 仿真結(jié)果分析

溫度傳感器整體電路仿真時采用1.8 V直流電源供電，仿真得到的運(yùn)算放大器A1的增益曲線如圖5所示，其相位裕度為65°，增益為82.97 dB，滿足設(shè)計要求。輸出電壓VT隨溫度變化曲線如圖6所示，可以看出，在-40～125 ℃范圍內(nèi)，溫度傳感器的輸出電壓與絕對溫度成正比關(guān)系。圖7為輸出電壓VT的分辨率隨溫度變化的曲線，由圖7可知輸出電壓VT分辨率大約為2.6 mV/℃，誤差約為±0.2%。

圖5 運(yùn)算放大器A1的增益曲線

圖6 溫度傳感器輸出電壓隨溫度變化曲線

圖7 輸出電壓分辨率隨溫度變化曲線

圖8為溫度傳感器的PSRR仿真曲線，在低頻階段，PSRR約為-82 dB，因此可以忽略電源的干擾信號對輸出端造成的影響。圖9為27 ℃下Vout的瞬態(tài)仿真曲線，圖10為電源信號加入振幅為200 mV，頻率為10 kHz的正弦波干擾時，輸出電壓Vout的瞬態(tài)仿真曲線。通過對比可以得出，溫度傳感器的輸出電壓基本不受影響。

圖8 溫度傳感器的PSRR仿真曲線

圖10 電源加入振幅200 mV，頻率10 kHz 的干擾信號時的瞬態(tài)仿真曲線

另外，在-40～12 ℃的溫度條件下，對基準(zhǔn)源Vref進(jìn)行DC仿真，輸出電壓隨溫度變化曲線如圖11所示，測得Vref的輸出電壓的溫度系數(shù)為6.23 ppm/℃?？梢钥闯?，在-40～125 ℃的溫度條件下，基準(zhǔn)源Vref的輸出電壓變化率極低，說明電路能在較大的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定輸出。圖12為Vref的PSRR仿真曲線，PSRR為-81 dB，說明對電源的抑制作用較好。

圖11 Vref輸出電壓隨溫度變化曲線

圖12 Vref的PSRR曲線圖

3 測試結(jié)果與討論

為較少輻射效應(yīng)對系統(tǒng)電路造成影響，方便溫度傳感器的的檢測，電路系統(tǒng)和版圖主要為保持特定頻段上的良好特性，避免元件之間的不匹配而造成溫度梯度。此傳感器芯片采用UMC 0.18 μm 1P6M工藝制作，圖13為芯片顯微照片，版圖面積為 ；溫度傳感器流片及bonding之后的測試電路板如圖14所示。

圖13 芯片顯微照片

圖14 溫度傳感器測試電路板及芯片bonding圖

該溫度傳感器的輸出電壓受電源電壓影響較大，因此測試中采用1.8 V高精度穩(wěn)壓電源，以此減小電源電壓的影響。測試過程在溫箱內(nèi)進(jìn)行，將被測電路板置于溫箱內(nèi)，適當(dāng)?shù)匾鰷y試線，溫度從-20 ℃到120 ℃開始穩(wěn)定上升，在30～50 ℃之間每5 ℃測量一次數(shù)據(jù)，其他溫度區(qū)間每10 ℃測量一個數(shù)據(jù)。測試時，樣片經(jīng)溫度從低到高，再從高到低測量其溫度-電壓特性，以觀察樣片的重復(fù)性和耐溫特性。最后對測量結(jié)果進(jìn)行擬合分析，將所測數(shù)據(jù)整理成比較直觀的溫度-電壓曲線，圖15為樣片的正向溫度測試結(jié)果擬合曲線，圖16為樣片的逆向溫度測試結(jié)果擬合曲線。由圖15、圖16可知，同一塊芯片的正向溫度測試結(jié)果與逆向溫度測試結(jié)果并不完全重合，存在較小的偏差，但偏差在可接受范圍內(nèi)；另外，溫度與輸出電壓近似成線性關(guān)系，由此可知，芯片的溫度特性與可逆性較好。

圖15 樣片正向溫度測試擬合曲線

圖16 樣片逆向溫度測試擬合曲線

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的CMOS溫度傳感器，可以同時輸出帶隙基準(zhǔn)電壓以及大范圍的與溫度相關(guān)的電壓。在此基礎(chǔ)上加入后期處理電路后，將體溫范圍內(nèi)的輸出電壓進(jìn)一步放大，可用于體溫的檢測。該溫度傳感器的主要性能指標(biāo)為：1.8 V的工作電壓，72 μW的系統(tǒng)總功耗，Vout的溫漂為6.23 ppm/℃，PSRR為-82 dB，輸出的線性度以及靈敏度都較高，有效溫度范圍內(nèi)變化在2.643～2.654 mV/℃之間，抗干擾能力較強(qiáng)，分辨率較高，同時，占用芯片面積小，功耗較低，且覆蓋溫度范圍廣，適合其他系統(tǒng)開發(fā)所需的溫度檢測以及CMOS工藝下的其他集成應(yīng)用。