基于运行模式切换的低不匹配误差高动态范围CMOS智能温度传感器*

2015-05-09单文焘张培勇冯忱晖

传感技术学报 2015年1期

关键词：温度传感器芯片动态

单文焘,张培勇,冯忱晖

(浙江大学超大规模集成电路研究所,杭州 310027)

基于运行模式切换的低不匹配误差高动态范围CMOS智能温度传感器*

单文焘,张培勇*,冯忱晖

(浙江大学超大规模集成电路研究所,杭州 310027)

提出了一种新的电路结构,通过两种运行模式的切换,可以在降低CMOS智能温度传感器不匹配误差的同时,保证输出有尽可能高的动态范围。理论分析得出,相对于传统结构,新结构的不匹配误差能减小66%以上。0.18 μm工艺环境下的仿真结果表明,在-55 ℃～125 ℃的温度范围内,输出能达到90%左右的动态范围,和Pertijs提出的改进结构相比,有较大幅度的提高。芯片实测结果在-10 ℃～100 ℃的温度范围内证实了这个结论。

温度传感器;不匹配误差;动态范围;CMOS工艺

随着制造工艺的快速发展,如今微处理器的电路密度越来越大,工作频率越来越高,随之而来的则是散热的困难,以及温度的不均匀分布。另一方面,随着工艺的进步不匹配误差会变得越来越复杂[1],并且会随着工艺尺寸的减小迅速增大[2]。这也会加剧芯片温度的不均匀分布。因此就需要多个片上温度传感器来对芯片温度进行监控,以便在运行温度过高时触发相应操作保护芯片。Intel、Samsung等公司所生产的微处理器中都会包含多个温度传感器[4-6]。近年来虽然对PC的需求逐渐放缓,但是随着智能手机等移动互联终端的快速发展,必然会对温度传感器产生新一轮的强劲需求。

智能温度传感器[3]是将温度传感器,ADC(Analog-to-Digital Converter),总线接口集成在一块芯片上。相对于铂电阻和热电偶等传统温度传感器,智能温度传感器的主要优势有通信方便,兼容标准CMOS工艺,可以通过集成电路大量复制的特点来降低成本,信号采集和处理的本地化使得测量抗干扰能力更强。温度传感器的应用领域非常广泛,用于工业[7],消费电子等领域的智能温度传感器已经非常成熟,特别是在微处理器的温度监控领域已经有着非常广泛的应用。近年来随着无线传感器网络等概念的提出,出现了一些和射频识别相结合的研究[8]。

到目前为止,智能温度传感器的设计已经比较成熟,文献[9]的精度在军用级温度范围(-50 ℃～120 ℃)之内能达到±0.1 ℃。文献[10]在22 nm工艺下设计了面积仅为0.006 mm2的温度传感器。

随着工艺的进步,对智能温度传感器的设计也带来了一些新的挑战。比如较大的不匹配误差会影响智能温度传感器的测量精度。因此,在设计时需要采用一些特殊的结构,比如DEM(Dynamic Element Matching)[11]来减小不匹配误差或者通过减少MOS管的数量来从源头上控制不匹配误差。

传统结构[12]为了能使输出比特流达到90%的动态范围,从而能增加对温度的敏感度[13],采用了比例电流镜,因此存在一定的不匹配误差。Pertijs在文献[14]中提出的结构可以改善不匹配误差,但是Pertijs结构的ADC输出比特流的动态范围只有大约30%。较低的动态范围意味着,要想达到同样的分辨率需要更多的时钟周期。虽然Pertijs通过采用二阶∑ΔADC结构弥补了动态范围不足的缺陷。但若采用的是其他类型的ADC,比如一阶∑ΔADC,文献[14]的结构就不太合适。本文的结构和传统结构相比,在降低不匹配误差的同时还可以保证大约90%的动态范围。在相同的计数周期内,较高的动态范围可以得到较高的温度精度。

本文的主要结构如下:在第1部分中,简单介绍了传统智能温度传感器的结构及其不足之处。第2部分介绍了本文的改进结构。第3部分给出了实验结果并进行了分析。在最后,对本文做出了总结。

1 传统结构

基于BJT(Biopolar Junction Transistor)的传统智能温度传感器的模拟部分结构如图1所示。图中pmos和nmos的衬底分别接VDD和GND,省略未画,运放的电源和地也被省略。其中数字表示相同mos管或者PNP管的个数。start信号为低电平时,模拟电路正常工作。

图1 传统结构模拟部分原理图

该电路主要由两部分组成,一个是PTAT(Proportional-to-Absolute Temperature)电压产生电路,另一个是CTAT(Complementary-to-Absolute Temperature)电压产生电路。CTAT电路比较简单,三极管的发射极-基极电压VBE就近似是一个CTAT电压,如式(1)所示。k是波尔兹曼常量,T是绝对温度,q是电子电量,IS是PN结反向饱和电流,IC是集电极电流。

PTAT部分是将两个完全一样的三极管,用比值为p的两路电流进行偏置。两个管子的电压差ΔVBE如式(1)所示,就是非常好的PTAT电压,而且和工艺偏差无关。

(1)

(2)

该结构先将PTAT电压和CTAT电压分别转换成电流信号Iptat和Ictat,最后通过比例电流镜产生正温度系数电流Itemp以及零温度系数的基准电流Iref。

利用一阶∑ΔADC,得到占空比如式(3)所示的比特流bs,再利用一个D触发器,最后得到一段时间内的脉冲计数值,时间长度由控制模块设定,通过UART输出到PC端,做进一步处理。u1的分子部分之所以减去VBE是为了提高动态范围,充分利用ADC的计数范围,u1的动态范围大概为90%。更直观的解释,可以参照图2中的点划线表示的2αΔVBE-VBE。在这里动态范围可以理解为纵坐标的变化范围,相对于两条实线所表示的ΔVBE和VBE,较低部分以及较高部分的动态范围都被充分利用。

(3)

这里由于使用了较多的比例电流镜,因此会存在一定的不匹配误差。Pertijs在在文献[14]中提出的结构,可以改善不匹配误差,但是将动态范围从90%降低到了30%。对此,本文提出了一种既可以减小不匹配误差,又能保证90%动态范围的新结构。

图2 动态范围图[12]

(4)

A·Dout(T)+B=Tm

(5)

最后将u做线性变换得到数字输出Dout。经过比例缩放,可得到测量温度。如根据在T1和T2这两个温度点的数字输出列出方程组,如式(4)所示,可以得到系数A和B。对于其他温度下的数字输出Dout(T),可以利用式,计算得到测量温度Tm。

2 基于运行模式切换的改进结构

2.1 电路结构

本文所实现的智能温度传感器的整体结构如图3所示。模拟部分的主要功能是基准电流和正温度系数电流的产生,该部分的详细结构如图4所示。数字部分主要完成A/D转换,计数器启动,停止计数等控制任务,另外还包括了一个UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)通信模块,图4中RxD和TxD分别是接受和发送端口。

图3 整体结构框图

图4 改进结构的模拟部分原理图

图5 改进结构的ADC原理图

通过施加不同的sel信号来选择送入计数器的比特流,这两种比特流分别对应了两种运行模式。然后,对两种比特流的计数值做一个简单的计算,就可以得到最后的输出。

2.2 动态范围分析

这里有两种模式,输入计数器的比特流的占空比u2如式(6)所示,式中的α′≈11.6。两种模式下的动态范围分别如图2所示,每种只有大约30%的占空比。sel=1时输入计数器的比特流是sel=0时的比特流取非的结果。所以sel=1时所得到的比特流的平均值,其实就是1减去sel=0时的平均值。Pertijs在在文献[14]中提出的基本结构相当于只是sel=0时的结构,所以测量结果只有大约30%的动态范围。

(6)

改进结构可以得到同一温度,相同转换时间,sel=0以及sel=1时,计数器的计数值Dout0和Dout1。最后计算2*Dout0-Dout1,相当于式(3)的比例缩放值。因此和图2类似,可以保证90%的动态范围。文献[14]采用的是二阶∑ΔADC,精度足够高,所以即使动态范围只有30%,也能在较短时间内达到足够高的精度。而且二阶∑ΔADC在动态范围接近0和1时会有比较大的误差[14],因此只取30%～60%的动态范围,刚好可以避免这个问题。但对于采用一阶∑ΔADC的结构,由于一阶∑ΔADC的精度有限,而且0～1动态范围内的误差分布较平均,所以若想减小由于电流镜的使用所引入的不匹配误差,依然采用文献[14]中的结构就不太合适。采用本文中的改进结构,因为有90%的动态范围,所以达到特定精度所需要的时间,只有30%动态范围时的1/3[12]。

2.3 不匹配误差的分析

(7)

对于u2来说,若Iptat的误差所占的比例为5%,因为对于-55 ℃～125 ℃的温度范围,Ictat/Iptat的范围大概是2～0.5,所以输出u2的误差范围是3.3%～1.7%,温度越高不匹配误差越小。所以,若采用类似的电流镜结构,改进结构的不匹配误差相对于传统结构至少能减小66%。推导过程和式(7)相似,如式(8)所示。

(8)

图6 -55 ℃～125 ℃改进结构的计数值

3 实验结果及分析

3.1 仿真结果及分析

采用0.18 μm CMOS工艺,在-50 ℃～120 ℃的温度范围之内,以10 ℃的温度间隔,得到的SPICE仿真结果如图6所示。纵轴是ADC的转换结果,转换时间为50 ms,横轴是仿真时所设置的环境温度。

图6中的点划线表示2×Dout0-Dout1,也就是基于运行模式切换的改进结构的仿真结果,动态范围能达到90%左右。图中的Dout0相当于Pertijs的改进结构,只有大约30%的动态范围。

图7是改进结构的仿真温度误差图,其中的虚线表示改进结构的温度测量误差,实线相当于Pertijs的改进结构的温度误差。对比两者后可见,在相同的测量时间内,提高动态范围,可以显著减小温度测量误差。

图7 温度误差

对于不匹配误差的仿真,选取了4个温度点,得到每个温度点的ADC转换结果,转换时间为20 ms。表1是传统结构以及基于运行模式切换的改进结构的仿真结果。其中的最大值和最小值分别是每个温度点蒙特卡罗仿真结果中ADC输出的最大和最小值,波动幅度则是最大最小值的差。

相对于传统结构,改进结构的波动幅度以及标准差都有较大幅度的减小,和上一节中不匹配误差的理论分析结果相符。

表1 蒙特卡罗仿真结果

图8 -10 ℃～100 ℃改进结构的计数值

3.2 实测结果

封装后的芯片,在-10 ℃～100 ℃的温度范围内,每20 ℃测量一次温度,分别得到了改进结构两种运行模式下的ADC转换结果,经过后续计算后得到如图8所示的结果,和图6类似,也分别标出了20 ℃和60 ℃时的计数值。在实测温度范围内能满足90%的动态范围,其中存在的波动主要来自于测量时温度控制的误差。图9分别是所使用的CASCADE测试台以及ETC-200L温控单元的照片。

图10是芯片的显微照片,图中黑色部分是由于加了金属dummy造成的。设计时考虑到可能会利用探针卡进行测试,所以将PAD线性排列。图10右边部分包含了模拟以及数字部分的电路,左边部分只有模拟电路,是为了将内部信号引出,便于观察模拟电路的实际运行情况。

图9 CASCADE测试台和ETC-200L温度控制单元

图10 芯片显微照片

4 结论

工艺节点的快速推进,一方面带来了电路密度增加,进而造成了芯片温度的不均匀分布。因此,对芯片温度的监控就变得非常重要。另一方面,工艺进步使得不匹配误差变得越来越严重,这给温度传感器的设计带来了新的挑战。本文的新结构为先进工艺下智能温度传感器的设计提供了新的思路。

传统温度传感器由于采用了比例电流镜,因此存在一定的不匹配误差。Pertijs的结构可以改善不匹配误差,但是输出的动态范围只有大约30%左右。本文通过两种运行模式的切换,在保证较高动态范围的基础上,能够减小不匹配误差。通过理论分析得出,改进结构的不匹配误差相对于传统结构至少能减小66%。仿真结果表明在-50 ℃～120 ℃的温度范围内,输出的动态范围可以达到90%左右。芯片实测结果在-10 ℃～100 ℃的温度范围内,证实了这一结论。

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A Low Mismatch Error and High Dynamic Range CMOS Smart Temperature Sensor Based on Operational Modes Switching*

SHANWentao,ZHANGPeiyong*,FENGChenhui

(Institute of VLSI Design,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

A new circuit structure which can switch between two operational modes is proposed to reduce the mismatch errors of CMOS smart temperature sensors and ensure a high dynamic range of the output.The new structure can reduce more than 66% of the mismatch error in contrast to traditional circuit by theoretical analysis.The simulation between -55 ℃ and 125 ℃ based on 0.18 μm process shows that a dynamic range of about 90% which is larger than the output of Pertijs’ structure can be acquired using this new structure.This conclusion is verified by chip testing result between -10 ℃ and 100 ℃。

temperature sensor;mismatch error;dynamic range;CMOS process