一种温度传感器芯片的分析与仿真

叶 绿

（集美轻工业学校， 福建 集美 361022）

一种温度传感器芯片的分析与仿真

叶 绿

（集美轻工业学校， 福建 集美 361022）

在人们的日常生活中，存在着各种各样的传感器，如温度传感器、重力传感器、光线传感器等。这些传感器使得我们的各种电子设备更加的智能化，使得万物互联成为可能，可以说，各种各样的传感器正如我们人类的各种感官一样，用以感知不同类型的信号，并将它们转换为电子线路能够处理的电信号。

文章中，将以用途广泛的温度传感器芯片为例子，介绍模拟集成电路中常用的几个单元模块的工作原理，介绍该种温度传感器芯片的内部电路结构并给出了具体电路模块及整体电路的仿真波形。

IC温度传感器；三极管测温；电流镜电路；基准电路

1 温度感应的原理

温度感应的关键是将温度的变化转换为电量的变化，根据研究表明，在三极管的集电极电流保持不变的情况下，利用三极管发射极—基极PN结的温度特性可以实现温度—电压的转换。为了便于对测温电路的工作原理进行清楚的阐述，首先对晶体管的PN结的温度特性作一说明。晶体管的PN结结电压Vbe随温度变化而变化，硅三极管的发射结结电压Vbe与绝对温度T和集电极电流Ic之间关系如下：

式（1）中 ：Eg——PN结的禁带宽度；

α——与基极偏压有关的常数；

γ——由基区少数载流子的温度特性决定的常数；

Q—— 单位电荷；

K——波耳兹曼常数；

因此，当Ic恒定时，在温度不太高的情况下，Vbe与温度T成线性关系。

图1给出了硅PN结的温度特性曲线。由曲线①可以看出，当温度低于200℃时，结电压与温度有良好的线性关系，可用作温度传感器，实现温度—电压（T－V）转换。曲线②表示PN结的结电压对温度的偏导数，实际上就是PN结的温度系数，在150℃以下范围内，这个温度系数约为-5mV/℃。

图1 硅PN结的温度特性

2 电流源电路

由式（1）可以看出，Vbe与温度T成线性关系的重要前提条件是三极管的集电极电流Ic保持不变，因此，为了保证温度测量的精度，必须产生一个稳定不变的集电极电流Ic。在CMOS工艺中，通常使用的是电流源电路。电流源电路在模拟电路中有十分广泛的应用，它既可以作为偏置单元也可以作为信号处理单元。在模拟集成电路中，电流源的设计是基于对“基准”电流的“复制”，一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流IREF，这个基准电流再被复制，从而得到电路中所需要的多个电流源。使用电流镜技术就可以相对“精确”的复制基准电流IREF。

2.1 基本电流镜电路

图2 基本电流镜电路

图2所示的就是一个基本电流镜的电路图，根据场效应管的基础知识，当M1和M2工作在饱和区时，IREF和Iout分别满足式（2）和式（3）关系：

式（2），（3）中：μn——n沟道场效应管的载流子迁移率，

Cox——单位面积的栅氧化层电容，

VTH——n沟道场效应管的阈值电压，

这3个参数属于与集成电路工艺密切相关的常数。

W——场效应管栅的宽度，

L——栅的长度，

VGS——栅极和源极之间的电压。

由电路可以看到，M1和M2的VGS是一样的，同时由于是同一芯片工艺相同，所以M1和M2的μn、Cox和VTH也相同。因此由式2和式3可以得到:

由式（4）可以看到，最终的输出电流Iout仅与基准电流IREF、M1和M2栅的宽长比的比值有关，在现代集成电路工艺中，该值可以被精确的控制，从而Iout可以实现对IREF的精确“复制”（带比例常数）而不受工艺和温度的影响。

2.2 共源共栅电流镜

在图2基本电流镜的介绍中，我们忽略了沟道长度调制，在实际的应用中，沟道长度调制效应将使得镜像的电流产生较大的误差，尤其是在短沟道的场效应管电路中。在图2基本电流镜中，如果考虑了沟道长度调制效应，流过M1、M2管的电流分别为：

式（5），（6）中：λ——沟道长度调制系数，

VDS——为漏极和源极之间的电压。

因此式（4）将变成以下形式：

输出电流Iout除了与基准电流IREF、M1和M2栅的宽长比的比值有关还与λ、VDS相关，在图2电路中无法保证VDS1和VDS2相同且VDS与电源电压、负载相关，所以镜像后的电流将产生较大的误差。为了抑制沟道长度调制效应，关键在于使得VDS1和VDS2相同，为此可以采用共源共栅类型的电流镜电路。

如图3所示即为共源共栅电流镜的电路图，由图3中分析可以得到，VGS0+VX=VGS3+VY，选择合适的尺寸使得，则VGS0=VGS3，从而VX=VY即VDS1=VDS2。此时式（7）中的项可以约掉，消除了沟道长度调制的影响，实现了Iout对IREF的精确“复制”。

图3 共源共栅电流镜电路

3 带隙基准

模拟电路中广泛的存在电压基准和电流基准，如上文介绍的电流源的产生实际上是使用电流镜电路对基准电流进行镜像，从而得到电源电压及温度特性良好的偏置电流。产生基准的目的是要建立一个与电源、工艺及温度无关的直流电压或者电流，而大多数的工艺参数是随着温度变化的，因此如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。设计与温度无关基准的一种基本思想是：找到两个温度系数相反的量，然后将它们以一定的权重进行相加，得到的和就可能是与温度无关的。

3.1 正温度系数电压

如果2个三极管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压之差△VBE与绝对温度成正比。

图4 正温度系数电压电路图

如图4所示，如果2个相同的三极管（IS1=IS1，IS为三极管的饱和电流）偏置的集电极电流分别为n⋆Io和Io时，由于则在忽略基极电流的条件下

由式（8）可以得到△VBE为正温度系数电压，其温度系数为

3.2 带隙基准电压的产生

图5 带隙基准电压电路图

由式（8）和式（9）的分析我们得到工作在不同电流密度下的三极管的VBE之间的差值△VBE是一个正温度系数的电压，而由式（1）的分析可得三极管的VBE本身是一个负温度系数的电压，所以，在电路的设计中我们将△VBE与VBE以合适的权重进行相加，可以得到与温度无关的输出电压。如图5所示，图5为与温度无关的带隙基准电压产生的电路图。M1～M5构成电流镜电路，从前面电流镜电路的分析中可以知道，选择合适的尺寸可以使得电路中的VX=VY，再由图5的电路分析可得VX=VBE1而，VY=VBE2+ID4R1，又由于ID5是ID4的镜像，所以可以得到

且Vout=VBE3+ID5R2，所以最终

由式（11）可以看到，最终的输出电压Vout为负温度系数的VBE3与正温度系数的△VBE之和，我们只需选择合适的R2与R1的比值，将会得到与温度无关的电压基准输出。

4 温度传感器电路分析及仿真

4.1 电路模块原理框图

图6 电路原理框图

如图6所示，电路由启动及偏置电路模块、温度感应电路模块、输出放大器模块构成。启动及偏置电路主要作用是为整个芯片其他功能模块提供合适的偏置电压及偏置电流使电路具有合适的静态工作点。温度感应电路功能是将温度变化线性的转换为电压的变化。输出放大器的作用是将温度感应电路输出的代表温度的电压进行缓冲，并提供一定的驱动能力将信号输出到下一级。以下是对各个模块电路的具体分析。

4.2 启动及偏置电路模块

图7 启动及偏置电路模块电路图

启动及偏置电路具体如图7所示，作为偏置电路，其作用是为电路的其它模块提供与电源无关（不受电源电压波动影响）的偏置电压及偏置电流。启动电路的功能是在电路上电的时候，提供某些晶体管的从电源到地的电流回路，防止场效应晶体管进入零电流的截止平衡状态。而在电路启动后，偏置电压和电流正常后，启动电路应该能够从偏置电路中断开，也就是启动电路仅在电路上电的一小段时间内起作用，当偏置电路进入正常工作状态后就从电路中断开。图7中P120、P119、P118、N121、P93、P110、R22、N117、P126、N120、P124、N119、P123、P121、P122组成启动电路，具体的工作过程如下：电路启动时，P120、P119、P118拉高N117栅极电位，N117导通，P126和N120构成的反相器输出高电平，因此N119导通，P121、P122灌入电流。当偏置电流达到正常值，N121导通，把N117栅极拉低，反相器输出为低，N119截止，P121、P122、P123及P124的栅极为高电平，所以P122、P123及P124截止，从而启动电路与偏置电路断开。

P79、P80、P81、P101、P109、P102、N116、N114、N112、N76、N74、N72、R8、Q16、Q20、Q25、Q26、Q27四条支路组成以热电压VT为基准的偏置电路，偏置电压由N114和N116的漏极输出，偏置电流大小由Q16、Q20的发射极电流密度比和R8的阻值决定。为了保证输出偏置电压的精度，应该在版图设计时在R8附近做好备用电阻及备用三极管以供调节。

图8 启动电路仿真波形

如图8所示，Vin电压（电源电压）上升，启动信号test1为高，Vin上升到约为2V，电路正常工作，test2达到预定值1V左右，把test1拉低，启动电路与偏置电路脱离。

图9 偏置电流的温度扫描仿真波形

作为整个电路的偏置电流应该具有良好的温度稳定性。图9为偏置电流的温度扫描波形，如图9所示，当温度从-60°C到130°C变化时（横轴），偏置电流由1.6uA变化到约1.1uA, 温度系数小于-0.3nA/°C，偏置电流具有较好的温度稳定性。

图10 偏置电流的电源电压扫描仿真波形

作为整个电路的偏置电流，当电源电压波动时，应该保持较好的稳定性。图10是偏置电流的在电源电压变化的情况下的扫描波形。如图10所示，当电源电压在工作范围内（2.4V至5.5V）变化时，偏置电流的变化很小，基本不受电源电压波动的影响。

4.3 温度感应电路模块

图11 温度感应模块电路图

如图11所示，Q12、Q8、Q4、Q0为温度感应电路的感温管，由4个感温管采用如图所示的连接方式同时工作可以提高电路的温度敏感性，其感温的原理在上文中已经有详细描述。P85、P117、N067和N068产生的电流分别由N069、N075、N070、N076、P38、P60、P53、P65、P58、P63、P56、P61、P54、P40镜像后，提供给各个感温管作为感温管的集电极电流IC，感温管工作时为了保证产生随温度线性变化的电压，要求IC保持稳定，而在偏置电路模块的分析中，我们已经看到偏置电流具有良好的温度及电源电压波动稳定性，因此，由偏置电流镜像产生的感温管的工作电流IC也能保持温度及电源电压稳定性，从而保证了由Q0输出的温度感应电压能随温度线性的变化。

4.4 输出运算放大电路模块

图12 输出运算放大电路模块电路图

由温度感应电路产生的感应电压由于温度感应电路的降噪、驱动能力等不足，无法直接作为输出电压使用，因此需要通过放大电路的缓冲及提供较大的驱动能力以供后级电路使用。在模拟电路中，使用最多的放大器应该是运算放大器，运放具有高增益、高输入阻抗等优点，大量的具有不同复杂程度的运放被用来实现不同的功能：从直流偏置的产生到高速放大或者滤波。电路使用的运放是宽输入摆幅的高增益二级运放：P25、N35、N32、P24、P30、P34给放大器提供偏置电流。N4、N5、P31、P35，P0、P1、N91、N94、N103、N98分别组成2个差分输入对，2个差分对作为输入级可以增加放大器的输入摆幅,差动对的输入端中，一端输入感温信号（VTS），一端接输出Vo的反馈。P16、N27组成共源放大级，提供高增益。感温信号VTS输入到放大器，输出大小相等的电压Vo，输出端V0通过R15反馈到运放输入端形成负反馈。C0、C1、R5提供频率补偿，提高运放的稳定性，防止自激振荡。如图13所示，在电源工作电压5V的条件下,运放的输出（V0）在输入信号从1V到4V的大幅度变化范围内跟随输入变化（VTS）,可以起到缓冲的作用。图14是运放的负载电流扫描图，当负载电流达到1mA附近，输出电压下降到95%。

图13 运放输入输出仿真波形

图14 运放负载电流扫描图

图15 整体电路图

图16 整体电路启动仿真图

图17 输出电压温度扫描图

4.5 整体电路

图15是温度传感器的整体电路图。

图16为整体电路启动时的仿真波形图，当电源电压Vin上升到2.4V左右，输出电压Vo达到预定值，电路进入正常工作状态。图17为温度变化时，输出电压的波形图，由图可以看到，输出电压Vo与温度成反比，温度系数为-11.47mV/oC，输出电压和温度成良好的线性关系，由此可见该电路能够很好的完成温度检测的功能。

5 结语

温度传感器广泛的应用于工业检测、安防、智能家居等生活生产的各个方面，在文章中介绍了一种温度传感器芯片的内部电路结构及工作原理并对电路进行了仿真。该种温度传感器采用0.6um的CMOS制程，最高耐压为6.5V，温度测量范围由-55～130℃，芯片的静态工作电流低至10uA，具有低功耗、测温精度高等特点。未来的温度传感器将朝着更加智能化、小型化及低功耗方向发展。

[1] 徐剑芸，鲁浩. 一种惯性测量组件实时测温电路的研究及设计[J]. 中国惯性技术学报, 2002,(10),6.

[2] 毕查德.拉扎维. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 陕西：西安交通大学出版社。

[3] 秦世才，高清云. 模拟集成电子学[M]. 北京：科学出版社.

10.3969/j.issn.1007-550X.2015.10.01

TN401

A

1007-550X（2015）10-0042-06

2015-09-03

叶绿（1979-），男 ，福建漳州人，中级讲师，主要从事中职学校电工电子教学工作。