吳夢維，王振鐸

(哈爾濱理工大學 軟件與微電子學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

近年來，互補金屬氧化物半導體(CMOS)已廣泛用于傳感器電路設計。2016年，Mansoor等人[1]設計了一種硅絕緣體CMOS多傳感器微機電系統(tǒng)芯片，其可以同時測量溫度、壓力和流量。2017年，Wen-Sheng等人[2]提出了一種用于變溫系統(tǒng)中光探測器的暗電流抑制技術。CMOS溫度傳感器的優(yōu)點包括體積小、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體(MOS)晶體管來實現(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。而在MOS晶體管的情況下，基本信號來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]。

本文設計基于CMOS的集成溫度傳感器，其主要由偏置電路、運算放大器以及熱傳感器組成。文中討論了電路的主要設計，包括偏置電路、運算放大器電路、熱傳感器。并在50 nm工藝下對電路進行仿真，得出該傳感器的溫度系數(shù)為5.9 mV /℃。

1 溫度傳感器設計

1.1 溫度傳感器原理

圖1所示為溫度傳感器電路的結構。傳感器電路由電流鏡像源，一對雙極型晶體管和一個電阻組成。Q1和Q2是兩個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是絕對溫度；γ是Q1和Q2的發(fā)射極面積比。當γ=1時，式(2)有效。根據(jù)式(1)和式(2)，當溫度升高時，基級-發(fā)射極電壓降低，因此，傳感器可以將溫度信號轉換成電壓信號。

圖1 溫度傳感器原理圖

1.2 偏置電路設計

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

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。通過Spice軟件模擬，結果顯示溫度變化為60 mV / 100 ℃[9]。

圖2 β乘法電路圖

短溝道偏置電路由β乘法器電路和基準電路組成。 根據(jù)式(8)～式(15)，計算電路參數(shù)。在短溝道偏置電路設計中，柵極-源極電壓VGS和閾值電壓VTHN之間的差值是柵極過驅(qū)動電壓VOVN。柵極過驅(qū)動電壓是一個重要的參數(shù)，其與MOS反轉頻率fT成正比。為了實現(xiàn)更高的工作速度，漏電流ID和跨導gm均與MOS的寬度有關。

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 運算放大器設計

運放模塊如圖3所示，其中，包括差分放大器和二級放大器。采用共源共柵結構差分放大器作為第一級放大器，vp和vn為輸入端，其的輸出為V1out。次級放大器是一個共源放大器，該放大器的輸出是V2out。整個放大器的增益AOLDC取決于兩級增益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是次級放大器的增益，其取決于跨導gmp和輸出電阻R2的乘積。采用高增益的單級放大器來避免兩級結構的穩(wěn)定性補償，故需要高跨導gm[10]。在次級放大器中，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)

這些電路包含一個由C1實現(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。雖該過程可能會導致次級增益降低，但由于第一級電路增益更大，電路仍可獲得更合理的整體增益。在第一級電路中，差分放大器增益為500；第二級放大器采用拓撲結構，其增益取決于其驅(qū)動負載阻力。 若沒有負載連接到另一個輸出，則增益如下

(21)

AOLDC=A1·A2=15 800

(22)

20lgAOLDC=84 dB

(23)

最后，整體運算放大器增益為84 dB。

圖3 運算放大器電路圖

1.3 熱傳感器電路設計

如圖4所示，熱傳感器的結構由幾個部分組成。Q1和Q2是兩個NPN雙極型晶體管，vp和vn是運算放大器的輸入端，M30是一個共源放大器，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進行電路設計，并在50 nm工藝下對傳感器電路進行仿真。取傳感器輸出節(jié)點作為模擬測試點，其也是整個電路的輸出端。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之間的關系為

V=-0.005 9T+3.897 3

(24)

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

3 結束語

為提高溫度傳感器的測量精度及縮小其面積與功耗，本文設計了一種使用NPN晶體管進行溫度測量的完全集成CMOS半導體傳感器，并在50 nm技術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，節(jié)省了應用電路的面積，降低了功耗，且提高了運行速度。在-30～125 ℃的測試范圍內(nèi)，溫度傳感器的靈敏度為5.9 mV/℃。該設計可以植入集成電路中以監(jiān)測芯片上的溫度，并確保芯片的安全。