陳力穎 ，楊依林 ，王 浩 ，張思敏

（1.天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學 天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點實驗室，天津 300387）

隨著半導體行業(yè)的發(fā)展，集成電路的密度持續(xù)增加，導致工作時很容易產(chǎn)生較大熱量。尤其對于模擬集成電路而言，溫度對其工作性能有重大影響。為了監(jiān)測芯片內(nèi)溫度以提高系統(tǒng)的可靠性，目前多采用集成片上溫度傳感器。集成溫度傳感器具有體積小、易于集成在各種系統(tǒng)中及兼容于CMOS 工藝、易實現(xiàn)大規(guī)模制造進而節(jié)省成本等優(yōu)點[1-5]。

目前溫度傳感器主要分為兩大類：時域溫度傳感器和電壓域溫度傳感器。時域溫度傳感器主要基于溫度敏感頻率或者延遲時間。傳統(tǒng)時域感溫電路受電源電壓和非線性等因素的影響較嚴重，因此具有較大的測溫誤差，例如文獻[6]中的溫度傳感器設(shè)計，此類溫度傳感器并不適合作為片上溫度傳感器。而電壓域溫度傳感器采用隨溫度變化的電壓信號表征溫度信息，具有高精度與高分辨率等優(yōu)點，適用于片上熱管理，例如文獻[7-8]中的溫度傳感器設(shè)計。

傳統(tǒng)電壓域溫度傳感器結(jié)構(gòu)主要由bandgap 結(jié)構(gòu)衍生而來，其輸出范圍較小，不利于提高精度[3]。

本文設(shè)計了新型正反饋式溫度傳感器，在PTAT電流轉(zhuǎn)化部分將運算放大器正反饋結(jié)構(gòu)融入電路中，與電阻結(jié)合，對器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號進行進一步放大，提高了輸出擺幅，以達到很高的測量精度和靈敏度，適用于非制冷紅外探測器、存儲器以及嵌入式系統(tǒng)等芯片內(nèi)部溫度的監(jiān)測。

1 電路設(shè)計

1.1 PTAT 電路結(jié)構(gòu)

本文CMOS 片上溫度傳感器采用PTAT 電流源結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)誤差。新型PTAT 電壓結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 本文新型PTAT 電壓結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比Fig.1 Comparison between new PTAT voltage structure and traditional one

傳統(tǒng)溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要由bandgap 結(jié)構(gòu)衍生而來，PTAT 電流轉(zhuǎn)化為與溫度相關(guān)的輸出電壓僅由簡單的電阻完成，而且輸出電壓范圍較小，不利于提高精度。本設(shè)計如圖1（b）所示，針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劣勢，將運算放大器正反饋結(jié)構(gòu)融入電路中，與電阻相結(jié)合對器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號進行進一步放大，提高輸出電壓。

圖1（b）中 Q1 和 Q2 采用 NPN 型晶體管，Q1 發(fā)射極面積設(shè)置為Q2 的8 倍，其他參數(shù)一樣。運放采用正反饋的連接方式，對微弱信號進行放大。

針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1（a），把 MOS 管 M1、M2、M3的寬長比設(shè)為1∶1∶2 的比值關(guān)系時有公式推導如下：

式中：VT=kT/q；IS為晶體管發(fā)射極反向飽和電流；k 為玻爾茲曼常數(shù)；q 為電子電荷量；T 為絕對溫度。另有IS1=8IS2。

對于本設(shè)計圖1（b）中運放“虛短”接法，則有Vref=VR2、VR1=VR3。則公式（2）變?yōu)椋?/p>

所以由公式（8）可知，輸出電壓與溫度T 成正比，由此可知Vtemp的變化可以用來表示當前溫度的變化。

1.2 運算放大器的設(shè)計

運算放大器（以下簡稱運放）在本電路系統(tǒng)中扮演著放大器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號、提高輸出電壓范圍的重要角色。本系統(tǒng)對運放的要求主要為兩方面：①為減小失調(diào)電壓，運放增益≥75 dB；②為減小電源波動對輸出電壓的影響，電源抑制比≤-75 dB。

本文所采用的是折疊式共源共柵放大器，其輸入共模范圍相對于套筒式放大器更大[9-14]，這可以為后續(xù)偏置電壓的設(shè)置提供便利。本設(shè)計中運放電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 運算放大器Fig.2 Operational amplifier

圖2 中運放結(jié)構(gòu)放大電路由M17—M27 組成。M1—M5 為電流源，M18、M19 組成 PMOS 差分輸入對。偏置電路由M6—M16 構(gòu)成，為運算放大器提供偏置電壓。

采用 UMC 0.18 μm CMOS 工藝，在 1 pF 電容負載以及-45、-15、15、45、75、105、125 ℃溫度下對該電路進行模擬仿真，仿真結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 運算放大器不同溫度下穩(wěn)態(tài)仿真曲線Fig.3 Steady-state simulation curve of operational amplifier under different temperatures

由圖3 可知，在不同溫度下運放的增益均穩(wěn)定在75 dB 以上，其中點M15 為125 ℃增益最小時，增益為78.3 dB；點 M2 為-45 ℃增益最大時，增益為 83.82 dB。滿足系統(tǒng)所需。

由圖4 可知，在不同溫度下運放的電源抑制比均穩(wěn)定在-75 dB 以下，其中點M1 為125 ℃電源抑制比最大時，為-83.51 dB；點M2 為-45 ℃電源抑制比最小時，為-85.26 dB。滿足系統(tǒng)所需。

1.3 偏置電路設(shè)計

本文采用與電源電壓和溫度無關(guān)的典型帶隙基準源為運放輸入端及其他部分提供偏置電壓。

PTAT 結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生與溫度成正相關(guān)的電流，Q3（圖5）則產(chǎn)生一個相等溫度系數(shù)的、與溫度成負相關(guān)的電流，從而得到一個與溫度無關(guān)的電流，再經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換為一個與溫度無關(guān)的基準電壓[15-17]。本文帶隙基準源的設(shè)計僅以滿足運放輸入及其他部分偏置電壓需求為主，不需要添加其他復雜的補償結(jié)構(gòu)。

1.4 溫度傳感器電路設(shè)計

新型片上溫度傳感器整體電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 電路包括啟動電路、偏置電路、運算放大器和溫度傳感器核心電路4 個部分。M1、M2 柵極接地，導通后為M4 管提供柵壓。M4 管源極接地，電壓快速下拉，使得 M5、M6、M7、M8、M13、M14 快速導通，起到快速啟動的作用。M18—M36 為帶隙基準電壓源，為運放輸入端提供偏置電壓。運放采用正反饋連接，對器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號進行放大，進而增加輸出范圍，提高精度。

圖5 溫度傳感器電路整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of temperature sensor circuit

本文設(shè)計的溫度傳感器采用UMC 0.18 μm CMOS工藝，在3.3 V 電源電壓下，溫度范圍為-45～125 ℃時，輸出電壓直流模擬仿真得到結(jié)果如圖6 所示。

圖6 輸出電壓隨溫度變化曲線Fig.6 Variation curve of output voltage with temperature

由圖6 可以看出，輸出電壓與絕對溫度成正比關(guān)系，且線性度良好，輸出電壓范圍為0.569～3.273 V。后文將對此仿真結(jié)果做進一步的詳細分析。

2 仿真結(jié)果分析

在不同溫度下對輸出電壓Vtemp進行瞬態(tài)仿真，間隔10 ℃取一個仿真結(jié)果。在溫度范圍為-45～125 ℃時，輸出電壓范圍為2.704 V。圖7 為輸出電壓Vtemp與溫度的擬合曲線。

圖7 輸出電壓（V）-溫度（℃）擬合曲線Fig.7 Fitting curve of output voltage（V）-temperature（℃）

由圖7 可見，所有的取值點都散落在趨勢線（紅色直線）附近很小的范圍內(nèi)。同時將靈敏度定義為：

其中 ΔT = 170 ℃，ΔVtemp= 2.704 V，代入式（9）可得靈敏度為15.9 mV/℃。將誤差定義為：

在-25 ℃時有最大偏移量-3.34 mV、25 ℃時有最小偏移量1.91 mV，分別代入式（10），可得 ε≈-0.21 ℃、0.12 ℃。由此可知，在-45～125 ℃溫度測量范圍內(nèi)，計算得到的測量精度為0.12 ℃/-0.21 ℃。由圖7 可知，輸出電壓線性度為99.93%。

表1 所示為本文設(shè)計的溫度傳感器與其他溫度傳感器的性能比較。

由表1 可知，對比其他傳統(tǒng)溫度傳感器結(jié)構(gòu)，本文的溫度傳感器設(shè)計通過運放正反饋結(jié)構(gòu)與電阻結(jié)合，從而加大輸出電壓的范圍，即增大△Vtemp，進而獲得了很高的靈敏度以及較高的精度。本文所設(shè)計的片上溫度傳感器性能更佳。

表1 性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of performance parameters

3 結(jié) 論

本文新型正反饋式片上溫度傳感器的設(shè)計，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對比，在PTAT 結(jié)構(gòu)將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為溫度等效電流時，利用運算放大器正反饋結(jié)構(gòu)，對器件由于溫度變化產(chǎn)生的微弱信號進行進一步放大。采用UMC 0.18 μm CMOS 工藝模擬仿真得到，在-45 ～ 125 ℃溫度范圍內(nèi)，輸出電壓為0.569 ～3.273 V，輸出電壓曲線線性度達99.93%，靈敏度為15.9 mV/℃，測量精度為0.12 ℃/-0.21 ℃。由此可知通過增加運放正反饋使輸出電壓范圍增大，成功的提高了測量精度以及靈敏度。本設(shè)計在非制冷紅外探測器、存儲器以及嵌入式系統(tǒng)等芯片領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應用前景。