包志均，王艷華

（1.河南廣播電視大學(xué)信息工程系，鄭州450008；2.河南信息工程專修學(xué)院信息與工程系，鄭州450046）

基于比率測量的CMOS高溫溫度傳感器設(shè)計(jì)*

包志均1*，王艷華2

（1.河南廣播電視大學(xué)信息工程系，鄭州450008；2.河南信息工程專修學(xué)院信息與工程系，鄭州450046）

針對在高溫環(huán)境下溫度傳感器的測量性能降低問題，提出了一種在能夠25℃～225℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，基于比率測量的高性能帶隙溫度傳感器。該溫度傳感器使用簡單的時(shí)域體系結(jié)構(gòu)，將自動(dòng)調(diào)零的偏移消除與偏移消除進(jìn)行合并提高性能，然后通過在數(shù)字處理模塊實(shí)現(xiàn)的映射函數(shù)，將得到的比率轉(zhuǎn)換成比率輸出，從而消除對帶隙基準(zhǔn)（BGR）的需要。傳感器使用CMOS工藝組裝而成，芯片面積為0.41 mm2。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果顯示該傳感器在最差情況下的錯(cuò)誤僅為+1.6℃/-1.5℃，并且當(dāng)電源為4.5 V時(shí)，傳感器僅消耗20 μA的電流。

帶隙溫度傳感器；比率測量；高性能；高溫環(huán)境

如今高溫集成電路已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于汽車、油井儀表及航天等行業(yè)（溫度超過200℃）。例如，溫度傳感器在油井儀表應(yīng)用中至關(guān)重要，能夠提供溫度信息及其它各種電氣測量，以便監(jiān)測油井狀況。

根據(jù)不同溫度傳感的方法，集成溫度傳感器廣義上可以分成許多類別。由于設(shè)計(jì)方法行之有效并且性能最佳，帶隙溫度傳感器得到了廣泛采用［1-2］。然而，通常，大多數(shù)帶隙基準(zhǔn)BVR（Bandgap Voltage Reference）傳感器的運(yùn)行僅能達(dá)到125℃。基于片上電阻溫度系數(shù) TCR（Temperature Coefficient of Resistance）的溫度傳感器可能不適合大規(guī)模生產(chǎn)，原因在于許多CMOS工藝中沒有精確描述電阻TCR的特性，并且同樣會受到過程分布寬度的影響［3］?；谘舆t鏈的時(shí)域溫度傳感器能夠更好地兼容微米CMOS工藝，但是，由于溫度范圍更廣會破壞固有的非線性，該溫度傳感器的溫度范圍有限。此外，需要2點(diǎn)校準(zhǔn)來得到該傳感器要求的精確度［4］。基于熱擴(kuò)散率的溫度傳感器以未校準(zhǔn)的精確度而著稱，合適高溫操作［5］。然而，該類傳感器需要精心自定義熱模型。此外，在毫瓦（mW）范圍內(nèi)，基于熱擴(kuò)散率的傳感器功率損耗更大，原因在于傳感原理是基于芯片內(nèi)部由電力產(chǎn)生的熱量?；跁r(shí)域方法的高溫傳感器［6］依賴精密電壓基準(zhǔn)進(jìn)行操作。2點(diǎn)校準(zhǔn)完成之后，高基準(zhǔn)TC會將傳感器的精確度降低到3℃。近期，有報(bào)告稱在溫度達(dá)250℃的條件下，基于閾電壓的高溫傳感器的錯(cuò)誤率為±1.8%［7］。

本文提出了一種采用時(shí)域結(jié)構(gòu)的帶隙高溫溫度傳感器。此外，通過使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）可在線進(jìn)行數(shù)字處理及校準(zhǔn)，并且介紹了完整的電路實(shí)現(xiàn)過程。

收稿日期：2015-06-18修改日期：2015-07-17

1　溫度傳感器的比率輸出推導(dǎo)

圖1是智能溫度傳感器的典型體系結(jié)構(gòu)。前端包括與絕對溫度成正比 PTAT（Proportional to Absolate Temperature）或與絕對溫度互補(bǔ) CTAT （Complementary to Absolate Temperature）（負(fù)極TC）的電壓及基準(zhǔn)電壓。通過使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）將溫度數(shù)字化，該轉(zhuǎn)換器能產(chǎn)生比率輸出（（VCTAT/VREF或VPTAT）/VREF）。圖2是特定于帶隙溫度傳感器的電壓。VBE1和VBE2是不同電流密度下偏置的雙極結(jié)型晶體管的基射極間電壓，并且具有CTAT的特點(diǎn)。VBE1和VBE2之間的差異，即：ΔVBE，有正極TCR（Temperature Coefficient of Resistance），由因數(shù)α測量正極TCR以便與VBE的負(fù)極TCR匹配。

圖2　帶隙VCTAT/VREF/VPTAT/VREF電壓及基準(zhǔn)的相關(guān)特點(diǎn)

帶隙傳感器的比率輸出表示為：

式（1）中的VCTAT/VREF比率輸出可簡化為：

我們可從公式（2）中看出，比率VCTAT/VREF輸出只是VBE2/VBE1及α的函數(shù)。同樣，VPTAT/VREF輸出也是VBE2/VBE1及α的函數(shù)，只是用更復(fù)雜的方式表示。因此，可以將式（2）表示成如下的函數(shù)關(guān)系

如果能夠合成VBE2/VBE1比率并使用函數(shù)R進(jìn)行映射，就可得到VOUT。由于映射函數(shù)更簡單，因此本文使用了CTAT輸出來證明。參數(shù)α是與PTAT和CTAT電壓的TCs匹配的比例因數(shù)。需精確控制該因數(shù)以便得到期望的輸出。通常，α是大多數(shù)傳感器設(shè)計(jì)上電容或電阻的比率，由對電阻或電容的動(dòng)態(tài)元件匹配（DEM）進(jìn)行微調(diào)等技術(shù)精確控制。

由于在數(shù)字領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了映射函數(shù)，也可將α移到數(shù)字后端。帶隙傳感器中工藝變化的主導(dǎo)因數(shù)是VBE的變化。然而，在0 K點(diǎn)附近，VBE的工藝變化只有1個(gè)自由度，所以只是TC變化。通過微調(diào)偏置電流或添加補(bǔ)償PTAT電壓的1點(diǎn)校準(zhǔn)可減輕該影響?；蛘撸部梢晕⒄{(diào)α對VBE中的TC變化進(jìn)行補(bǔ)償。

通過時(shí)間對數(shù)字轉(zhuǎn)換方法得到VBE比率，使得溫度傳感器具有簡單且功率低的體系結(jié)構(gòu)。通過在數(shù)字處理模塊實(shí)現(xiàn)的映射函數(shù)R，將得到的比率轉(zhuǎn)換成比率輸出。然后，通過線性伸縮可將比率輸出轉(zhuǎn)換成攝氏溫度T，如下所示：

其中，F(xiàn)是0 V條件下的VBE1及B=-273 K對應(yīng)的溫度，如圖2所示。

2　傳感器的體系結(jié)構(gòu)及運(yùn)作過程

圖3是本文提出的溫度傳感器的體系結(jié)構(gòu)。D1及D2是摻雜二極管。通過在不同電流密度條件下偏置D1及D2，可得到VBE1及VBE2。VBE1及VBE2的差異如下：

其中，A1及A2分別是D1及D2的面積。該設(shè)計(jì)選擇不同面積和偏置電流，以最大化ΔVBE和VBE比率的動(dòng)態(tài)范圍。

圖3　本文提出的時(shí)域溫度傳感器的體系結(jié)構(gòu)

傳感器電路運(yùn)作實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）在重置狀態(tài)下（當(dāng)STAT（Signal Transducers and Activators of Transcription）=0），S2關(guān)閉且 S1開啟，開關(guān)SC向集成電容CINT放電。當(dāng)STRT信號變大時(shí)，開關(guān)SC開啟；

（2）然后，10比特的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，CINT開始向VBE2充電。當(dāng)集成電壓VINT等于VBE2時(shí)，比較器的數(shù)值變小，這樣會使控制邏輯通過WRT信號向寄存器REG寫下計(jì)數(shù)NBE2。

（3）然后，重置比較器，S2開啟，S1關(guān)閉，計(jì)數(shù)器會一直計(jì)數(shù)，直到VINT等于VBE1才停止。此時(shí)，比較器的數(shù)值變小，通過WRT信號向寄存器寫下新的計(jì)數(shù)NBE1。圖4是單一讀出操作的時(shí)序圖。分別將VBE2及VBE1轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)NBE2及NBE1。VBE比率計(jì)算如下所示：

因此，從公式（3）可得出：

其中，R是在數(shù)字后端的映射函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在后面會加以說明。

圖4　提出的溫度傳感器運(yùn)作時(shí)序圖

3　偏置電路及偏移消除

偏置電流（IB1、IB2）和二極管（D1、D2）是熱電壓（VT）基準(zhǔn)自偏置電路的一部分，如圖5所示。

圖5　該設(shè)計(jì)中的偏置電路

為（IB1、IB2）選擇的偏置電流分別為（7.5 Ma、2.5 μA）；二極管（D1、D2）的面積分別為（16 μm2、224 μm2）。充電電流IC及比較器的偏置也來自同一個(gè)電路。通過MC產(chǎn)生并反射自偏置電流以便得到充電電流IC。為了避免出現(xiàn)不合需要的零電流操作點(diǎn)，添加包括晶體管MA1、MA4的啟動(dòng)電路和電容CS。啟動(dòng)電路不會消耗任何靜態(tài)電流。（CB1、CB2）是旁路電容。在文獻(xiàn)［8］中使用常量gm以產(chǎn)生IB1、IB2。（MA3、MA2）按照1∶5的尺寸得到自偏置電流，這樣，能夠產(chǎn)生VGS差異及偏置電流。然而，由于二極管本身會產(chǎn)生自偏置電流（VBE差異），并且沒有用比率表示（MA2、MA3），VT基準(zhǔn)偏置方法會導(dǎo)致電路支路及晶體管數(shù)量減少，因此，會優(yōu)化設(shè)計(jì)的功率及面積。由于要求速度低（10 kHz的計(jì)時(shí)器），該設(shè)計(jì)采用增益為80 dB的2級自動(dòng)調(diào)零開環(huán)比較器，如圖6所示。選取pMOS微分輸入對用以滿足低共模電壓的要求（VBE1、VBE2）。文獻(xiàn)［8］中使用了常量gm偏置技術(shù)，用于超出較寬溫度范圍的比較器增益穩(wěn)定化，原因在于偏置電流的PTAT（Proportional to Absolate Temperature）特性能夠穩(wěn)定gm。VT基準(zhǔn)偏置同樣也有PTAT（Proportional to Absolate Temperature）偏置電流，所以能夠達(dá)到同樣的效果。

圖6　提出的傳感器中比較器的電路原理圖

文獻(xiàn)［8］中分析了體系結(jié)構(gòu)溫度誤差上的偏移影響，表明由于分子及分母上的偏移數(shù)一樣，有效地降低了偏移影響。然而，仍然存在誤差，誤差的大小會隨著溫度的變化而增加，當(dāng)偏移電壓為5 mV且溫度為225℃時(shí)，誤差能達(dá)到2℃。此外，偏移是隨機(jī)的，每個(gè)樣品都不同，并且采用了非線性。為了完全消除因比較器偏移造成的誤差，該設(shè)計(jì)將自動(dòng)調(diào)零技術(shù)應(yīng)用于比較器偏移消除。相位Φ1是自動(dòng)調(diào)零相位，Φ2是比較相位。在比較相位中，當(dāng)比較器在開環(huán)模式下，CC處于斷開狀態(tài)，能夠優(yōu)化該設(shè)計(jì)中比較器的速度［9］。

本文提出的電路的主要優(yōu)勢之一在于，在該設(shè)計(jì)中溫度特性和IC及CINT的精確度不重要。只要IC及CINT保持2個(gè)計(jì)數(shù)相同，比率就不會受到電流絕對量的影響，從式（6）中可看出。因此，大大放寬了偏置電路的溫度規(guī)格。IC來源于與電源無關(guān)的VT基準(zhǔn)偏置電流，該電流具有PTAT電流的特點(diǎn)?？傓D(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)計(jì)為100 ms，這是溫度傳感器的典型設(shè)計(jì)。

4　數(shù)字處理及校準(zhǔn)

通過數(shù)字處理模塊將計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成比率輸出，實(shí)現(xiàn)式（3）的映射函數(shù) R。圖 7是模擬的VBE比率（VBE2/VBE1）、計(jì)數(shù)率（NBE2/NBE1）及比率輸出電壓（VOUT）。因此，電路有效地將溫度信號轉(zhuǎn)換成時(shí)域，之后通過數(shù)字處理模塊將電路數(shù)字化。由于靈活性強(qiáng)，數(shù)字處理模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)控制信號（CAL/ACQ），處理模塊有2個(gè)模式：校準(zhǔn)模式及采集模式。在校準(zhǔn)模式中，在室溫下完成一次校準(zhǔn)用以計(jì)算校準(zhǔn)的α值，即：α（CAL），然后通過I2C界面將該值寫入電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）。通過下列方程計(jì)算α（CAL），該方程從公式（2）中得來：

其中，VOUT（理想的狀態(tài)是25℃）是對應(yīng)25℃的溫度的理想比率輸出。NBE2（25℃）及NBE1（25℃）是在25℃條件下的測量計(jì)數(shù)。理想α（從模擬中得到）與α（CAL）之間的差異取決于VBE工藝變化及電路工藝變化，兩者本質(zhì)上均是PTAT。在模擬前端，通常通過微調(diào)及DEM等技術(shù)得到參數(shù)α的精確度。然而，該設(shè)計(jì)中，在數(shù)字模塊中進(jìn)行α微調(diào)及傳感器校準(zhǔn)，因此，大大地放寬了模擬前端要求的精確度。這就是該技術(shù)的主要優(yōu)勢之一。

圖7　模擬的VBE比率、計(jì)數(shù)率及映射的比率輸出VOUT的比較結(jié)果

在采集模式下，寄存器中存儲了2個(gè)計(jì)數(shù)，從EEPROM中讀取α（CAL），并且通過使用函數(shù)R完成比率輸出VOUT的計(jì)算。通過簡易的線性伸縮，將比率輸出轉(zhuǎn)換成用攝氏度表示的讀數(shù)，如式（4）所示。數(shù)字處理模塊上的所有計(jì)算均是在浮點(diǎn)上進(jìn)行。時(shí)序圖表示校準(zhǔn)及數(shù)字處理的步驟，如圖8所示。tR及tW分別是α的讀/寫次數(shù)；tα及 tT分別是α及溫度計(jì)算的次數(shù)。用于校準(zhǔn)及采集的讀寫及計(jì)算花費(fèi)的總時(shí)間不到1 ms。

圖8　校準(zhǔn)及數(shù)字處理的時(shí)序圖

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

芯片由1-μm部分耗盡絕緣體上的硅（PD-SOI）CMOS工藝組裝而成。通過BOX層完成裝置的豎向隔離，通過溝槽隔離完成橫向隔離，這樣會導(dǎo)致p-n結(jié)面積更小。因此，相較于大多數(shù)CMOS，2～3個(gè)數(shù)量級就能夠減少泄露電流。這樣能夠在PD-SOI過程中進(jìn)行穩(wěn)健的高溫操作。此外，由于鎢金屬化，在布局設(shè)計(jì)中需要考慮鎢金屬化的表面電阻比普通高出3倍～4倍。

圖9是芯片的顯微圖像及測量設(shè)置。溫度傳感器的有源面積為0.41 mm2。帶有（板載芯片）COB包裝的高溫Rogers RO4003C PCB用于測量。安裝有接合焊盤的模具緊挨著地平面，以便熱穩(wěn)定速度更快。Altera Cyclone IV FPGA及微芯片EEPROM用于進(jìn)行數(shù)字處理及實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。

圖9　模具圖片及高溫測量設(shè)置

圖10是在25℃條件下校準(zhǔn)后7個(gè)樣品的比率輸出，樣品非常匹配。

圖10　7個(gè)樣品的測量比率輸出

圖11是使用式（4）對7個(gè)樣品進(jìn)行線性伸縮之后用攝氏度表示的測量溫度誤差。7個(gè)樣品中，溫度誤差為+1.6℃～-1.5℃。發(fā)現(xiàn)樣品中的溫度誤差均是非線性，原因在于硅二極管中擴(kuò)散及誤差造成的VBE誤差，而硅二極管中擴(kuò)散由復(fù)合電流造成，誤差由偏置電阻的擴(kuò)散及不匹配等原因造成。本文實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)技術(shù)僅限于消除線性PTAT的誤差。使用穩(wěn)健的基片p-n-p晶體管能夠減少誤差擴(kuò)散。然而，由于BOX隔離，SOI過程中無法實(shí)現(xiàn)基片pn-p?？梢蕴剿髌渌?zhǔn)技術(shù)以更多校準(zhǔn)點(diǎn)及計(jì)算能力為代價(jià)來提高精確率。在室溫下，傳感器僅使用20 μA的電流，并在電源電壓為4.5 V～5.0 V的條件下運(yùn)行。因此，因自加熱效應(yīng)造成的誤差可忽略不計(jì)。表1是性能比較。

圖11　個(gè)樣品的測量溫度誤差

表1　性能比較

6　結(jié)論

本文提出了一種用于高溫環(huán)境的高性能時(shí)域帶隙溫度傳感器。該傳感器基于比率測量的概念，不需要與溫度有關(guān)的帶隙基準(zhǔn)，提高了在高溫環(huán)境下的測量精度。當(dāng)電源電壓為4.5-V時(shí)，組裝的溫度傳感器僅消耗 20 μA的電流，有源面積為 0.41 mm2。在室溫下，7個(gè)樣品中，1點(diǎn)校準(zhǔn)最差時(shí)錯(cuò)誤達(dá)1.6℃。在超過200℃條件下，相比其他溫度傳感器，該傳感器的功率最小，芯片面積最小且精確度較高。

［1］ Souri K，Makinwa K A.A 0.12 mm27.4 μW Micropower Temperature Sensor with an Inaccuracy of±0.2℃From-30℃to 125℃［J］.IEEE［J］.Solid-State Circuits，2011，46（7）：1693-1700.

［2］ Souri K，Chae Y，Makinwa K A.A CMOS Temperature Sensor with a Voltage-Calibrated Inaccuracy of±0.15（3σ）from-55℃to125℃［J］.IEEE J Solid-State Circuits，2013，48（1）：292-301.

［3］ 武晉波，楊衛(wèi)，張雪蓮，等.一種新型無源電容式溫度傳感器的制備與測試［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（5）：77-79，83.

［4］ Che P.A Time-Domain SAR Smart Temperature Snsor with Crvature Cmpensation and a 3σ Iaccuracy of-0.4℃～+0.6℃over a 0℃to 90℃Range［J］.IEEE J Solid-State Circuits，2010，45 （30）：600-609.

［5］ 蘇孫慶，林位波，雷國偉，等.CMOS集成溫度傳感器的外圍數(shù)字電路設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012（12）：123-125.

［6］ 單文燾，張培勇，馮忱暉，等.基于運(yùn)行模式切換的低不匹配誤差高動(dòng)態(tài)范圍CMOS智能溫度傳感器［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，28（1）：142-147.

［7］ Pathrose J，Zou L，Chai K T C，et al.Temperature Sensor Front End in SOI CMOS Operating Up to 250℃［J］.EEE Trans Circuits Syst II：Exp Briefs，2014，61（7）：496-500.

［8］ Pathrose J，Zou L，Chai K T C，et al.A Time-Domain Smart Temperature Sensor without an Explicit Bandgap Reference in SOI CMOS Operating Up to 225℃［C］//Solid-State Circuits Conference （A-SSCC），2013 IEEE Asian IEEE，2013：173-176.

［9］ 張志勇，辛長宇，朱玉龍，等.Pt100溫度傳感器非線性的補(bǔ)償方法與電路實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2007，30（6）.

［10］陳勇，郭方方，白曉弘，等.基于SOI技術(shù)高溫壓力傳感器的研制［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014（6）：4-6.［11］Sewook H，Jabeom K，Kisoo K，et al.A 0.008 mm2500 μW 469 kS/s Frequency-to-Digital Converter Based CMOS Temperature Sensor with Process Variation Compensation［J］.Circuits and Systems I：Regular Papers，IEEE Trans，2013，60（9）：2241-2248.

包志均（1981-），男，漢族，河南南陽人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)，baozhijun123@126.com；

王艷華（1977-）女，漢族，河南鶴壁人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。

Design of High Temperature CMOS Sensor Based on Ratio Measurement*

BAO Zhijun1*，WANG yanhua2
（1.HeNan Radio&Television University，Department of Information Engineering，Zhengzhou 450008；China；2.Henan Information Engineering College，Zhengzhou 450046；China）

According to the measurement performance degradation of the temperature sensor in high temperature environment，a high performance bandgap temperature sensor based on the ratio measurement is presented，which can run in the temperature range of 25℃～225℃.The temperature sensor using a simple time domain architecture，will automatically adjust the zero offset cancellation and offset cancellation are combined to improve the performance，then in the digital processing module the mapping function is realized，the ratio will be converted into output ratio，thereby eliminating of band gap reference（BGR）need.The sensor is made of CMOS process and the chip area is 0.41 mm2.The experimental tests show that the error of the sensor in the worst case is only+1.6℃/-1.5℃，and when the power supply is 4.5 V，the sensor consumes only 20 μA of current.

temperature sensor with gap temperature；ratio measurement；high temperature environment

TP212.11

A

1005-9490（2016）03-0540-06

EEACC：7230；7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.009