基于新型延迟电路的CMOS片上温度传感器*

李硕明（中山职业技术学院信息工程学院，广东中山528404）

基于新型延迟电路的CMOS片上温度传感器*

李硕明*
（中山职业技术学院信息工程学院，广东中山528404）

为在较大温度范围内实现高精度的片上温度检测，提出一种基于新型延迟电路的CMOS时域温度传感器。该传感器以新型延迟电路为基础，利用二极管连接的双极结型晶体管（BJT）生成PWM信号，相较于其它时域温度传感器，仅需要单一偏置电流以及比较器就可生成PWM信号；利用简易的数字计数器可确定占空比，且占空比会被转换成数字值；传感器设计采用了0.18 μm CMOS技术。实际测试结果显示，相较于其它类似传感器，提出的传感器在较宽的温度范围内精确度较高；在两个温度点上进行数字校准之后，在0～125℃范围内的精确度为±0.1℃；电源为1.5 V时，此传感器仅消耗了2.48μA，功耗为3.8μW。

时域温度传感器；延迟电路；低电压低功率；时间数字转换器（TDC）

CMOS片上温度传感器已经广泛应用于硅集成电路应用中，主要用于实现高度精确、节能、低成本的温度数字采集功能。包括低功率的感应领域，如生物医学、生命科学和物流等领域。大致来说，CMOS片上温度传感器可分为3大类［1］：

（1）电压传感器该类传感器利用随温度而变的电压电源以及电压ADC，将温度信号转换成数字值［2-3］。文献［3］中的传感器利用了双极设备和变焦ADC，并结合了SAR和ΔΣ原理。在-55℃～125℃的温度范围内，传感器的精确度高达±0.15℃，并且功耗为5.1μW。然而，由于ADC十分复杂，传感器实现成本较高。

（2）频率温度传感器该类传感器的结构与之前提及的温度传感器相似，随着温度变化，传感器的输出频率发生相应改变［3-4］。在0～100℃范围内，文献［5］中记录的传感器的误差为-1.6℃/+3℃，且功耗为200 nW。

（3）时域温度传感器该类传感器中，延迟发生器生成的数字脉冲带有随温度而变的延迟，如文献［6］。利用简易的数字计数器可实现时间数字转换器（TDC），此转换器可以测量延迟，并生成相应的数字输出。利用开关电容电路［7］或者逆变器可实现延迟发生器［5-6］。文献［7］中提出了超低功率片上CMOS温度传感器，功率为100 nW，且转换率为25 sample/s。在-20℃～+30℃范围内，误差为±0.8℃，且分辨率为0.2℃。然而，由于温度范围较小，仅限于小范围内使用。文献［8-9］中提出了逆变型延迟发生器；经过两点校正之后，在0～+90℃的范围内误差为-0.4℃～+0.6℃。当转换率为2 sample/s时，传感器的平均功耗为36.7μW。

本文提出了一种新型时域低电压低功率CMOS片上温度传感器，适用的温度范围为-40℃～125℃。该传感器中的PWM发生器以新型延迟电路为基础，利用二极管连接的双极结型晶体管生成PWM信号，此信号的占空比与绝对温度成正比。实际测试结果显示，在两个温度点进行校准之后，在0～125℃的范围内，传感器的精确度高达±0.1℃。

1　新型延迟发生器电路设计

图1是提出的延迟发生器原理图，随温度改变而发生变化。本结构包含3个模拟路径，通过电流为偏置电流Ibias。最右端的路径由C1和S1组成。开启或关闭S1会分别致使Ibias向C1充电或放电。中间路径由二极管连接双极晶体管Q1组成，能够生成电压VBE1。最左端的路径由C2、S2和Q2组成。S2用于重置C2。Q2的发射极面积是Q1的n倍，Q2可以生成电压VBE2。根据S3的位置，比较器会将VC1或者VC2与VBE1进行比较。

图1　提出的延迟发生器原理图

同时重置C1和C2可以生成PWM信号［10］，然后利用Ibias向C1充电直至VC1=VBE1，最后，利用Ibias向C2充电直至VC2=VBE1。图2是对应电压波形以及开关时序S1…3，期望的PWM输出信号由此生成。

电容器的充电时间t1和t2取决于：

图2　延迟发生器内部的波形以及信号时序

根据总充电时间可以得出PWM周期tp。

对应的占空比Q可表示为：

CT，VBE和 CT，ΔVBE可以分别表示 VBE1和 ΔVBE的温度系数。如果选取的电容比m=C2/C1可以让m= |CT，VBE/CT，ΔVBE|，则：

在式（6）中，VBG代表虚拟带隙电压，显然不能用电路元件构建。由于ΔVBE=ln（n）kT/q，占空比Q最终可表示如下：其中，k表示玻尔兹曼常数，q表示元电荷，T表示开尔文温度：

根据式（7）可知，Q（T）与绝对温度成正比。尽管文献［7］中的电路会利用两个带有互补温度系数的电流，但是本文提出的结构仅需要单一偏置电流。未发现有关温度系数的特定限制，原因在于常常可以按照式（6）的要求设计m。由于n=8，CT，VBE≈-2mV/℃并且CT，ΔVBE≈ln（n）·0.087mV/℃，得出m≈11。由于VBG≈1.2 V，当T∈［-40℃，125℃］时，Q（T）会在38.6%～66%的范围内变化。

2　延迟发生器的具体实现分析

提出延迟发生器的CMOS实现必须考虑到多个非理想因素。开关S1和S2均有非零导通电阻Ron以及有限的断开电阻Roff。尺寸最小的晶体管可以使Roff最大化，但是Ron会增加，并且在每个充电周期开始时会导致C1和C2出现非零初始电压。这样，连同比较器的偏移误差会导致t1、t2和tp（式（1）～式（4））出现时序误差，也就会出现式（5）中的非线性占空比误差。难以对这些误差进行数字化补偿，原因在于误差电压同样也与温度有关。

Q（T）中的非线性更多是来源于比较器的有限传播延迟tpd，1和tpd，2，常常会将它们分别添加至充电时间t1和t2。然而，如果设计的电路会致使PWM周期tp足够长，以致于可以忽略此效应，就不需要特定的传播延迟补偿技术。

图3是本文提出的延迟发生器的实现。与图1相比之下，通过开关 S3可将Ibias1连接至4个节点（VC1、VC2、VBE2以及GND）之中的一个，这样，C1和C2可由相同电流源充电，如图4（b）和图4（d）所示。图4是提出延迟发生器电路在4个切换相位时的等效电路，其中的4个切换相位，如图5（c）所示。因此，只有 Ibias1和 Ibias2需要精确匹配。Ibias3并非关键，原因在于其仅用于维持Q2的偏置点，如图4（a）和图4（b）所示。当闲置电容器短路时，Ibias1都会流经一个电容器。即使在Ron较高的情况下，也可以消除通过电容器的初始电压。重叠时钟可以对S1和S2进行控制，这样，C1和C2可以免受S3和S4的电荷注入。同时，在重叠期间，也会排出比较器输入及电线的寄生电容。四相切换方案包括一个重置相位（在启动传感器之前，模拟部分中的电压处于静止状态）。

图3　提出的延迟发生器的具体实现

图4　延迟发生器等效电路

图5（a）是零偏移理想比较器的波形。比较器会即时向点发送信号，Vin会准确通过VBE1设置的阈值。现在，假设Vos≠0。需要Vin超过VBE1+Vos来切换比较器，从而，t1和t2会按比例增加或减少，这取决于Vos的符号，如图5（b）所示。比较器会利用斩波器拓扑结构消除偏移电压Vos的影响，如图5（c）所示。基于比例原则，通过每隔一个周期对斩波器的极性进行颠倒，计算t1和t2的平均值，可完全补偿偏移产生的误差。

图5　各类型比较器输入电压Vin

3　传感器结构组成

图6是提出温度传感器的设计原理图，该感器由一个延迟发生器和一个TDC组成。其结构与文献［7］中的传感器相似，但是却只需要单一偏置电流。TDC可以测量延迟发生器生成的PWM信号的占空比，并且会在每个转换周期结束时输出对应的数值Dout，Dout为判断指示信号。

图6　提出的CMOS温度传感器的结构图

4　实验结果

采用0.18μm CMOS技术实现了提出的温度传感器，测试芯片电路的显微照片如图7所示。延迟发生器和数字逻辑的面积分别为0.076 mm2和0.072mm2。电容器阵列的面积为0.55mm2；为了能够有足够长的PWM周期以达到预期的精确度，此面积是必需的。在室温下，当电源为1.5 V时，延迟发生器会消耗1.5μA。由于并未将测试芯片上任何外围逻辑组件做出的电流贡献计算在内，如：串行数据接口，传感器的固有数字部分消耗了大约1μA。样机的转换时间为1.2ms，与PWM周期的长度相对应。

图7　测试芯片的照片

图8是测量装置，用于确定绝对温度误差以及校准设备。传感器芯片样品是粘在Pt1000基准电阻上面，当气温在-40℃～125℃范围内以5℃的梯度自动变化时，每一个梯度都会保持60 s，这样可以在获取读数之前在被测设备内部建立热平衡。10MHz的片外时钟以及片上计数器是用于评估PWM信号。该TDC配置的分辨率每次计数都大约为0.06℃。

图8　测量设置

图9是校准前后的实测误差，范围为2℃～9℃。在温度扫描之后，利用在主机软件上执行的线性校正函数Tcorr=αTraw+β对原始传感器数据进行校正。利用对应的Pt1000读数校准0～80℃范围内的校正函数之后，在-40℃～125℃的全温范围内，提出的CMOS传感器的绝对误差为-0.1℃～0.5℃；在0～125℃的范围内，绝对误差为±0.1℃。总体分辨率为0.28℃，主要限制来源于偏置源以及开关产生的热噪声和闪光噪声。表1是对性能的总结及比较。

图9　校准前后的误差测量结果

表1　与参考文献传感器的性能比较

5　结论

本文提出了一种新型低电压低功率时域温度传感器电路，采用0.18μm CMOS技术制成。传感器的PWM发生器以新型延迟电路为基础，其占空比与绝对温度成正比。通过利用时间数字转换器测量占空比，获得了数字温度值。利用在微控制器或主系统软件上执行的线性校正函数可以数字化校正原始传感器读数的绝对误差。在两个温度点进行校准之后，在0～125℃的范围内，传感器的精确度高达±0.1℃。实验结果表明，相较于其它先进的设备，本文提出的传感器在较宽的温度范围内精确度较高，同时运行速度快，并且节能，适用于各种低成本和低功率的传感应用领域。

［1］ 李蕾，谢生，黄晓综.应用于无源RFID标签的CMOS温度传感器［J］.传感技术学报，2010，23（8）：1098-1101.

［2］ 王乃龙，张盛，周润德.一种新型的集成电路片上CMOS温度传感器［J］.半导体学报，2004（3）：252-256.

［3］ Souri K，Chae Y，Makinwa K A A.A CMOS Temperature Sensor with a Voltage-Calibrated Inaccuracy of+/-0.15 degrees C（3 sigma）from-55 degrees C to 125 degreesC［J］.IEEE Journalof Solid-State Circuits，2013：47-52.

［4］ Fojtik M，Kim D，Chen G，etal.AMillimeter-Scale Energy-Autonomous Sensor System with Stacked Battery and Solar Cells［J］. IEEE JournalofSolid-State Circuits，2013，48（3）：801-813.

［5］ Kim K，Lee H，Kim C.366-kS/s 1.09-nJ 0.0013-mm2Frequencyto-Digital Converter Based CMOS Temperature Sensor Utilizing Multiphase Clock［J］.Very Large Scale Integration Systems IEEE Transactionson，2013，21（10）：1950-1954.

［6］ 林荣，蔡敏，黄伟朝，等.新型低功耗CMOS片上温度传感器设计［J］.传感技术学报，2011，24（7）：981-985.

［7］ Yin J，Yi J，Man K L，etal.A System-on-Chip EPCGen-2 Passive UHF RFID Tag W ith Embedded Temperature Sensor［J］.IEEE Journalof Solid-State Circuits，2010，45（11）：2404-2420.

［8］ Chen P，Chen CC，Peng Y H，et al.A Time-Domain SAR Smart Temperature Sensorwith Curvature Compensation and a 3σInaccuracy of-0.4℃～+0.6°COver a 0℃to 90℃Range［J］.IEEE Journalof Solid-State Circuits，2010，45（3）：600-609.

［9］ 王倩，毛陆虹，张欢，等.集成于无源UHFRFID标签的高分辨率CMOS温度传感器［J］.传感技术学报，2012，25（4）：462-467.

［10］陈刚，解玉凤，林殷茵.一种新型高精度宽电压范围的CMOS温度传感器［J］.固体电子学研究与进展，2013，33：175-178.

李硕明（1981-），男，汉族，工程师，博士研究生，研究方向为物联网应用技术、智能信息处理，lishuoming404@sina.com。

CMOSon-Chip Temperature Sensor Based on a NovelDelay Circuit*

LI Shuoming*
（School of Information Engineering，Zhongshan Polytechnic，Zhongshan Guangdong 528404，China）

In order to realize high precision on-chip temperature detection，a CMOS time domain temperature sensorbased on noveldelay circuit is proposed.The sensor isbased on a noveldelay circuit，the PWM signal isgenerated by the diode connected bipolar junction transistor（BJT），and the PWM signal is generated by a single bias current and a comparator.A simple digital counter can be used to determine the duty cycle，and the duty cycle can be converted into a digital value.The sensor is designed with 0.18 CMOSM technology.The test results show that the accuracy of the proposed sensor ishigher than thatofother similar sensors in awide temperature range.After a digital calibration at two temperature points，the sensor isaccurate to±0.1℃from 0℃to 125℃.Itdraws only 2.48μA from a 1.5 V supply，corresponding to a power dissipation of3.8μW.

time domain temperature sensor；delay circuit；low voltageand low power；time to digitalconverter（TDC）EEACC:7230；7320R

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.007

TP212.11

A

1005-9490（2016）04-0785-05

项目来源：中山市科技计划项目（2015B2357）

2015-11-15修改日期：2016-01-06