一種高精度CMOS溫度傳感器的設(shè)計(jì)

黃繼偉，張 祥

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

溫度傳感器作為使用最早、 需求量最大的傳感器之一，在許多領(lǐng)域中都有重要而廣泛的應(yīng)用. 近年來，隨著無線通信的發(fā)展，對(duì)精準(zhǔn)頻率源的要求越來越高. 晶體振蕩器作為最常用的頻率源芯片，在工作時(shí)會(huì)因?yàn)殡娏鳠嵝?yīng)的影響，導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度逐漸升高，輸出頻率隨溫度不斷變化，性能降低. 為了在不同工作環(huán)境中保持良好的頻率精度，需要在頻率源中引入高精度溫度傳感器的設(shè)計(jì)，為頻率源中的溫度補(bǔ)償電路提供準(zhǔn)確的溫度信息.

傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器因存在嚴(yán)重的非線性、 自熱、 只能輸出模擬信號(hào)等缺點(diǎn)限制了發(fā)展. 與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，片上集成的溫度傳感器芯片能夠輸出便于利用的數(shù)字信號(hào)； 可以直接集成在芯片上，體積更小，更符合傳感器微型化的發(fā)展方向； 同時(shí)片上集成的溫度傳感器還具有成本低、 測(cè)溫精度高、 溫度分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2].

本研究采用SMIC 55 nm CMOS(complementary metal oxide semiconductor)工藝，設(shè)計(jì)了一種適用于溫補(bǔ)的精密頻率源的高精度CMOS溫度傳感器. 選用SAR ADC(successive approximate register analog-to-digital converter)作為溫度傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，能夠輸出數(shù)字信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)頻率源芯片的溫度補(bǔ)償.

SAR ADC中引入一種改進(jìn)的R-2R DAC，省略了運(yùn)算放大器和反饋電阻，避免了運(yùn)算放大器失調(diào)對(duì)量化精度的影響. 而且通過設(shè)計(jì)一個(gè)高階曲率校正的帶隙基準(zhǔn)電壓源作為R-2R DAC的參考電壓，進(jìn)一步提高了量化精度[3-5].

1 溫度傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

1.1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)

溫度傳感器的框圖如圖1所示，主要由溫度傳感電路VPTAT、 帶隙基準(zhǔn)電路和SAR ADC三部分組成. 其中SAR ADC包括改進(jìn)的R-2R DAC，動(dòng)態(tài)比較器，SAR邏輯控制電路，非交疊時(shí)鐘電路.

圖1 溫度傳感器框圖Fig.1 Block diagram of the temperature sensor

1.2 溫度傳感器的原理和誤差分析

溫度傳感器由溫度傳感電路輸出與絕對(duì)溫度線性相關(guān)的模擬量VPTAT，然后SAR ADC進(jìn)行量化，得到含溫度信息的數(shù)字信號(hào)輸出.

由溫度傳感器的工作原理可知，溫度傳感器最關(guān)鍵的部分是溫度傳感電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路. 溫度傳感電路產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度正相關(guān)的模擬量，產(chǎn)生的模擬量線性度越好，溫度傳感電路產(chǎn)生的溫度誤差越小.

已知兩個(gè)發(fā)射極面積不相等的雙極型晶體管在相同電流下工作時(shí)，基極與發(fā)射極構(gòu)成的電壓之間的差值ΔVBE與絕對(duì)溫度正相關(guān). ΔVBE具有良好的線性度，受工藝的影響較小，所以溫度傳感電路利用ΔVBE來產(chǎn)生與絕對(duì)溫度正相關(guān)VPTAT[6-9].

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路需要將輸入的模擬信號(hào)準(zhǔn)確快速地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào). 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的量化誤差直接導(dǎo)致輸出誤差，引起溫度傳感器的精度下降. 本設(shè)計(jì)采用SAR ADC，誤差主要分為三部分：一是不可避免的量化誤差，由ADC的分辨率和精度決定； 二是采用的R-2R型DAC的實(shí)際輸出電壓與理論電壓的誤差，受參考電壓的電壓變化和工藝上不理想引起的匹配誤差的影響； 三是SAR ADC在逐次逼近過程中由于時(shí)鐘抖動(dòng)造成的量化誤差[10-12].

R-2R DAC可以通過增大單位電阻來減小由工藝上的不理想引入的匹配誤差. 參考電壓引起的量化誤差則通過引入高階曲率校正的帶隙基準(zhǔn)電路，降低參考電壓的電壓變化，減小量化誤差.

由時(shí)鐘抖動(dòng)引起的量化誤差，通過引入非交疊時(shí)鐘的時(shí)鐘延時(shí)，使SAR ADC在工作時(shí)避開時(shí)鐘翻轉(zhuǎn).

2 溫度傳感器主要模塊的設(shè)計(jì)

2.1 與溫度正相關(guān)的VPTAT電路的設(shè)計(jì)

溫度傳感電路VPTAT電路圖如圖2所示. 圖中MP1，MP2，MP4支路采用1∶1∶1的cascode電流鏡. 電阻R1上的電壓降為

圖2 VPTAT電路圖Fig.2 VPTAT circuit diagram

VR1=VEB1-VEB0=ΔVBE

(1)

流經(jīng)MP1，MP2，MP4的電流為

(2)

PNP型襯底雙極型晶體管基-發(fā)射極的關(guān)系為：

(3)

2.2 改進(jìn)型R-2R DAC的設(shè)計(jì)

R-2R DAC是按比例縮放的DAC，通常是利用電阻陣列把VREF劃分為加權(quán)電流，然后利用反相運(yùn)算放大器來產(chǎn)生模擬輸出電壓VOUT.

采用改進(jìn)的R-2R DAC如圖3所示，省略了運(yùn)算放大器和反饋電阻，避免了運(yùn)算放大器失調(diào)對(duì)量化精度的影響.

圖3 改進(jìn)的R-2R DACFig.3 Improved R-2R DAC

2.3 高階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源(BGR)的設(shè)計(jì)

高階曲率補(bǔ)償原理圖如圖4所示. 由于三極管基極與發(fā)射極之間的電壓VBE不是隨溫度線性變化，VBE與溫度、 工藝相關(guān)的等式為

圖4 高階曲率補(bǔ)償原理圖 Fig.4 Schematic of high-order curvature compensation diagram

式中：Vg0為 0 K 時(shí)硅的帶隙電壓；Tr為參考溫度;VT為熱電壓.

VBE的高階溫度特性通過整理可得

VBE(T)=a0-a1T-a2TlnT

(5)

其中：a0是常數(shù)項(xiàng)；a1T是線性項(xiàng)；a2TlnT是高階項(xiàng). 消去VBE中的線性項(xiàng)僅為一階線性補(bǔ)償，為得到更好的溫度特性，采用曲率校正技術(shù)進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償.

曲率校正技術(shù)是通過產(chǎn)生一個(gè)具有正TlnT項(xiàng)的電路，疊加在輸出基準(zhǔn)上，用來消去VBE(T)中的高階項(xiàng)TlnT.

(6)

(7)

(8)

流過MP4輸出支路上的電流I為

I=I1+I2+I3

(9)

(10)

2.4 SAR ADC

溫度傳感電路利用ΔVBE輸出與溫度正相關(guān)的模擬電壓VPTAT，VPTAT與DAC輸出進(jìn)行比較，當(dāng)VPTAT>VOUT時(shí)，比較器輸出1； 當(dāng)VPTAT

圖5 SAR ADC時(shí)序圖 Fig.5 Timing diagram of SAR ADC

3 電路仿真與數(shù)據(jù)分析

3.1 溫度仿真

溫度仿真是對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行DC溫度掃描，觀察電壓隨溫度的變化，從而得出溫度系數(shù). 仿真的溫度范圍是 -20～100 ℃，溫度仿真結(jié)果如圖6.

圖6 VREFH，VREFL在各工藝角下溫度-電壓圖Fig.6 VREFH, VREFL temperature-voltage diagram at each process corner

溫度系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(11)

可得到如表1所述的各工藝角下的溫度系數(shù).

表1 VREFH，VREFL在各工藝角下的溫度系數(shù)Tab.1 VREFH，VREFL temperature coefficient at each process corner

3.2 整體電路后仿結(jié)果

在-20～100 ℃溫度范圍內(nèi)，對(duì)多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行模擬仿真，得到如圖7所示的溫度傳感器的精度分析，表明溫度傳感器仿真環(huán)境溫度t′與理論溫度t的關(guān)系. 通過對(duì)圖7中溫度差值的計(jì)算，得到如圖8所示的溫度傳感器的誤差分析，表明在不同溫度t下，仿真溫度t′與理論溫度t之間的誤差Δt.

圖7 溫度傳感器的精度分析Fig.7 Accuracy analysis of temperature sensor

圖8 溫度傳感器的誤差分析Fig.8 Error analysis of temperature sensor

對(duì)0，0.2，0.4 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行仿真，得到如表2所示的溫度分辨率的仿真結(jié)果. 根據(jù)仿真結(jié)果可知，溫度分辨率在0.2 ℃可以分辨. 電路采用SMIC55nm CMOS工藝完成版圖設(shè)計(jì)，版圖如圖9所示，版圖面積約為(0.55 mm × 0.59 mm).

表2 溫度分辨率仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of temperature resolution

圖9 電路整體版圖Fig.9 Overall layout of the circuit

本設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)的性能比較如表3，可以看出在較低的供電電壓，較寬的溫度范圍下，具有測(cè)溫精度較高的優(yōu)點(diǎn).

表3 與其他設(shè)計(jì)的性能比較Tab.3 Performance comparison with other designs

4 結(jié)語

基于SMIC 55 nm CMOS工藝，利用Cadence IC615完成仿真與優(yōu)化，通過采用改進(jìn)的R-2R DAC和高階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)來提高SAR ADC的量化精度，實(shí)現(xiàn)了一種高精度溫度傳感器的設(shè)計(jì). 仿真結(jié)果表明，在1.2 V電源電壓、 820 μA動(dòng)態(tài)電流、 -20～100 ℃溫度范圍條件下，傳感器溫度精度為+0.32 ℃，溫度分辨率為0.2 ℃.