基于誤差消除技術(shù)的溫度傳感讀出電路設(shè)計(jì)

陸 婷，馮 喆

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

隨著IC 技術(shù)的飛速發(fā)展，ADC 轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路等功能性電路可很好地集成在芯片內(nèi)部，由此產(chǎn)生了當(dāng)下流行的智能溫度傳感器。該器件減少了外圍復(fù)雜電路模塊，提高了集成度，可大大降低成本，便于批量生產(chǎn)，功耗與可靠性也較分立器件有更優(yōu)表現(xiàn)。智能溫度傳感器在醫(yī)療設(shè)備、汽車電子、自動控制等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，市場競爭力凸顯。傳感器讀出電路是整個電路的核心模塊，對電路起著決定性的作用，然而對其核心模塊中的核心感溫元件而言，溫度特性的誤差以及工藝偏差對于溫度傳感器讀出電路的精度影響非常大，必須對這些誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，通過加入一些校準(zhǔn)電路來減小這些非理想因素對精度的影響。在此主要討論電流鏡和運(yùn)放失調(diào)引起的誤差及對于這兩個參數(shù)的誤差校準(zhǔn)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個高精度的智能溫度傳感器讀出電路。

2 ΔVBE 的產(chǎn)生及其誤差

在標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝下，通常采用兩只襯底PNP晶體管作為感溫元件。在不同的電流密度下，這兩個晶體管各自的基極-發(fā)射極電壓VBE之差具有良好的正溫度特性，可作為衡量溫度參考要素。通常，此電壓差ΔVBE有幾十毫伏大小，為了使ADC 對ΔVBE能夠準(zhǔn)確量化，需要對ΔVBE進(jìn)行放大處理。由于CMOS 工藝下的差分放大器失調(diào)也處于毫伏量級，且伴有噪聲干擾，會對溫度測量造成誤差。因此產(chǎn)生精確的ΔVBE和對ΔVBE精確放大是高精度溫度傳感器中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 ΔVBE 產(chǎn)生原理

ΔVBE的產(chǎn)生原理如圖1 所示。其中，圖1(a)為傳統(tǒng)ΔVBE產(chǎn)生電路；圖1(b)則為運(yùn)用DEM（Dynamic Element Matching，動態(tài)器件匹配）技術(shù)的ΔVBE產(chǎn)生電路。

圖1 ΔVBE 產(chǎn)生原理電路圖

當(dāng)施加一定比例（1：p）的偏置電流時，兩PNP管間的ΔVBE具有正溫度系數(shù)，其非理想方程為[1]：

其中k 為波爾茲曼常量，q 為電子電荷，IS是雙極型晶體管的飽和電流，IC為集電極電流，T 為溫度。

要使ΔVBE具有良好的PTAT 特性，IC要遠(yuǎn)大于IS，但又不能太大，否則會產(chǎn)生自熱效應(yīng)、大注入效應(yīng)等非理想效應(yīng)，破壞PTAT 特性。所以要選取適當(dāng)?shù)钠秒娏骱蚉NP 管并聯(lián)個數(shù)以產(chǎn)生較為理想的PTAT 電壓 ΔVBE，將公式(1)簡化為：

2.2 ΔVBE 的誤差來源

電流鏡鏡像電流源并不是理想電流源，其有限的輸出阻抗會使輸出電流隨輸出電壓變化。對此，可采用共源共柵結(jié)構(gòu)，增加輸出阻抗，如圖2 所示。

圖2 共源共柵結(jié)構(gòu)電流源

圖中，Rout為輸出阻抗，對應(yīng)的公式為:

其中 r01、r02、gm2、gmb2是分別是 MP1、MP2 的輸出阻抗及跨導(dǎo)，可見共源共柵結(jié)構(gòu)將輸出阻抗提高了(gm2＋gmb2)r02倍[2]。

另一個重要的ΔVBE誤差來源是電流鏡的失配。在圖1(a)所示的電路中，工藝上的偏差會導(dǎo)致電流鏡失配，這些失配會導(dǎo)致比例因子p 產(chǎn)生大小為Δp的偏差，則式(2)變?yōu)?

式中ΔVBE的誤差為：

3 誤差消除技術(shù)

3.1 動態(tài)匹配技術(shù)

動態(tài)匹配（DEM）技術(shù)是一種低成本解決元件失配的方法[3]，采用此法可降低電流源失配造成的溫度誤差。DEM 本質(zhì)上是一種平均誤差數(shù)學(xué)算法，在圖1(b)中，電流鏡個數(shù)比為1：p，在時鐘的控制下，每個時鐘周期中在個數(shù)為p 的電流鏡中輪流拿出一支與個數(shù)為1 的電流鏡交互替換，可與其交替的支數(shù)越多，消除的匹配誤差越大[4]。

由工藝偏差可知，每次電流鏡相互替換形成1:p時，所造成的ΔVBE偏差是不同的，可用下式表示：

p+1 種組合所產(chǎn)生的ΔVBE平均值為：

由此，ΔVBE變?yōu)椋?/p>

3.2 斬波穩(wěn)定技術(shù)

理想情況下，運(yùn)放的輸入為零時，輸出也應(yīng)為零。但是由于工藝偏差，原本對稱的差分級晶體管會體現(xiàn)出不完全相同的電氣特性，導(dǎo)致運(yùn)放兩輸入為零時輸出并不為零的情況。此時如果存在一個輸入電壓VOS能令輸出電壓為零，則該電壓VOS可稱為輸入失調(diào)電壓。

失調(diào)消除技術(shù)主要有斬波穩(wěn)定、自動調(diào)零、相關(guān)雙采樣等技術(shù)，皆以降低運(yùn)放的非理想效應(yīng)對虛地端的影響為目的，通過降低運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)和低頻噪聲（主要是1/f 噪聲），改進(jìn)運(yùn)算放大器的動態(tài)范圍。

斬波穩(wěn)定（Chopper Stabilization,CHS）技術(shù)是E.A.Goldberg 在 1948 年提出的[6]。CHS 不同于自動調(diào)零技術(shù)，先調(diào)零再將輸入信號采樣和放大，而是使用調(diào)制技術(shù)將需要放大的輸入信號Vin(t)乘上一個高頻方波調(diào)制信號，將低頻噪聲及失調(diào)調(diào)制到高頻，之后通過一個低通濾波器將它們完全濾掉[7]。在理想情況下，斬波技術(shù)能夠完全消除掉直流失調(diào)以及低頻段1/f 噪聲。CHS 的具體原理如圖3 所示。

圖3 斬波技術(shù)原理圖

圖3 中的輸入信號Vin(t)經(jīng)第一次調(diào)制再經(jīng)放大器后得到的信號V1(t)可表示為：

由式(9)可知，輸入信號Vin(t)被調(diào)制到高頻斬波頻率的奇數(shù)次項(xiàng)。各節(jié)點(diǎn)波形如圖4 所示。

圖4 斬波放大器各節(jié)點(diǎn)波形

信號V1(t)在經(jīng)解調(diào)后得到的信號V2可表示為:

由式(9)和式(10)可見，信號 V1(t)經(jīng) m2(t)解調(diào)后仍然處在m2(t)的奇數(shù)諧波處，將失調(diào)電壓和輸入噪聲調(diào)制到高頻處，可以借助于一個低通濾波器，只留下低頻輸入信號。

4 應(yīng)用斬波技術(shù)的開關(guān)電容式放大器

實(shí)際產(chǎn)生的ΔVBE在幾十毫伏數(shù)量級，雖然具有正溫度特性，但每攝氏度幾毫伏的變化量過于微弱，會使后級ADC 模塊設(shè)計(jì)難度增高。綜合考慮各種因素后，需將ΔVBE進(jìn)行放大。為在放大過程中降低噪聲、失調(diào)等因素的影響，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用斬波技術(shù)的開關(guān)電容式全差分放大器。器件整體結(jié)構(gòu)如圖5 所示?；诟呔葴囟葌鞲衅饕螅ㄟ^時序控制引入可修調(diào)基準(zhǔn)電壓Vref，使ΔVBE正溫度特性曲線做上下微移，可使后級ADC 能夠準(zhǔn)確量化各溫度所對應(yīng)的數(shù)字碼。

圖5 開關(guān)電容放大器整體結(jié)構(gòu)

電路工作時序及波形圖如圖6。各階段對應(yīng)的等效電路如圖7 所示。

圖6 電路工作時序波形

圖7 等效電路

在流片后可通過修調(diào)VREF1值來使得溫度特性曲線上下微移，實(shí)現(xiàn)與ADC 量化階梯校準(zhǔn)的功能。

全差分運(yùn)放采用兩級結(jié)構(gòu)，主運(yùn)放采用大尺寸PMOS 管為輸入管，既能降低工藝失調(diào)，又能因其溝道載流子為空穴而降低熱噪聲對運(yùn)放的影響[8]。在兩級運(yùn)放輸出之間使用米勒補(bǔ)償，使運(yùn)放具有足夠的相位裕度和穩(wěn)定性。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)得到的頻率特性仿真結(jié)果如圖8 所示。仿真輸出波形如圖9 所示。

圖8 頻率特性仿真結(jié)果圖

圖9 運(yùn)放輸出波形仿真結(jié)果圖

將運(yùn)放輸出電壓與理論計(jì)算值進(jìn)行對比，誤差如圖10 所示?？梢姴钪翟?0μV 左右，誤差小于0.5個LSB，能夠?qū)崿F(xiàn)對感溫電壓ΔVBE的精確放大。

圖10 運(yùn)放輸出電壓與理論計(jì)算值誤差

5 結(jié)束語

基于對動態(tài)匹配技術(shù)和斬波穩(wěn)定技術(shù)相關(guān)知識的簡介，運(yùn)用DEM 技術(shù)，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用斬波技術(shù)的開關(guān)電容式全差分運(yùn)算放大器。在兩級結(jié)構(gòu)中，第二級采用增益自舉結(jié)構(gòu)以達(dá)到足夠的增益。仿真結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)的增益為101.1 dB，單位增益帶寬為7.9 MHz，相位裕度達(dá)98.3°，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿真值與理想值的對比也表明該放大電路能夠精確放大感溫信號，誤差在100μV 之內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。