一种新型正反馈式CMOS 温度传感器电路设计

陈力颖 ，杨依林 ，王 浩 ，张思敏

（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津 300387）

随着半导体行业的发展，集成电路的密度持续增加，导致工作时很容易产生较大热量。尤其对于模拟集成电路而言，温度对其工作性能有重大影响。为了监测芯片内温度以提高系统的可靠性，目前多采用集成片上温度传感器。集成温度传感器具有体积小、易于集成在各种系统中及兼容于CMOS 工艺、易实现大规模制造进而节省成本等优点[1-5]。

目前温度传感器主要分为两大类：时域温度传感器和电压域温度传感器。时域温度传感器主要基于温度敏感频率或者延迟时间。传统时域感温电路受电源电压和非线性等因素的影响较严重，因此具有较大的测温误差，例如文献[6]中的温度传感器设计，此类温度传感器并不适合作为片上温度传感器。而电压域温度传感器采用随温度变化的电压信号表征温度信息，具有高精度与高分辨率等优点，适用于片上热管理，例如文献[7-8]中的温度传感器设计。

传统电压域温度传感器结构主要由bandgap 结构衍生而来，其输出范围较小，不利于提高精度[3]。

本文设计了新型正反馈式温度传感器，在PTAT电流转化部分将运算放大器正反馈结构融入电路中，与电阻结合，对器件由于温度变化产生的微弱信号进行进一步放大，提高了输出摆幅，以达到很高的测量精度和灵敏度，适用于非制冷红外探测器、存储器以及嵌入式系统等芯片内部温度的监测。

1 电路设计

1.1 PTAT 电路结构

本文CMOS 片上温度传感器采用PTAT 电流源结构，减小系统误差。新型PTAT 电压结构如图1 所示。

图1 本文新型PTAT 电压结构与传统结构对比Fig.1 Comparison between new PTAT voltage structure and traditional one

传统温度传感器结构如图1（a）所示，主要由bandgap 结构衍生而来，PTAT 电流转化为与温度相关的输出电压仅由简单的电阻完成，而且输出电压范围较小，不利于提高精度。本设计如图1（b）所示，针对传统结构的劣势，将运算放大器正反馈结构融入电路中，与电阻相结合对器件由于温度变化产生的微弱信号进行进一步放大，提高输出电压。

图1（b）中 Q1 和 Q2 采用 NPN 型晶体管，Q1 发射极面积设置为Q2 的8 倍，其他参数一样。运放采用正反馈的连接方式，对微弱信号进行放大。

针对传统结构图 1（a），把 MOS 管 M1、M2、M3的宽长比设为1∶1∶2 的比值关系时有公式推导如下：

式中：VT=kT/q；IS为晶体管发射极反向饱和电流；k 为玻尔兹曼常数；q 为电子电荷量；T 为绝对温度。另有IS1=8IS2。

对于本设计图1（b）中运放“虚短”接法，则有Vref=VR2、VR1=VR3。则公式（2）变为：

所以由公式（8）可知，输出电压与温度T 成正比，由此可知Vtemp的变化可以用来表示当前温度的变化。

1.2 运算放大器的设计

运算放大器（以下简称运放）在本电路系统中扮演着放大器件由于温度变化产生的微弱信号、提高输出电压范围的重要角色。本系统对运放的要求主要为两方面：①为减小失调电压，运放增益≥75 dB；②为减小电源波动对输出电压的影响，电源抑制比≤-75 dB。

本文所采用的是折叠式共源共栅放大器，其输入共模范围相对于套筒式放大器更大[9-14]，这可以为后续偏置电压的设置提供便利。本设计中运放电路结构如图2 所示。

图2 运算放大器Fig.2 Operational amplifier

图2 中运放结构放大电路由M17—M27 组成。M1—M5 为电流源，M18、M19 组成 PMOS 差分输入对。偏置电路由M6—M16 构成，为运算放大器提供偏置电压。

采用 UMC 0.18 μm CMOS 工艺，在 1 pF 电容负载以及-45、-15、15、45、75、105、125 ℃温度下对该电路进行模拟仿真，仿真结果如图3、图4 所示。

图3 运算放大器不同温度下稳态仿真曲线Fig.3 Steady-state simulation curve of operational amplifier under different temperatures

由图3 可知，在不同温度下运放的增益均稳定在75 dB 以上，其中点M15 为125 ℃增益最小时，增益为78.3 dB；点 M2 为-45 ℃增益最大时，增益为 83.82 dB。满足系统所需。

由图4 可知，在不同温度下运放的电源抑制比均稳定在-75 dB 以下，其中点M1 为125 ℃电源抑制比最大时，为-83.51 dB；点M2 为-45 ℃电源抑制比最小时，为-85.26 dB。满足系统所需。

1.3 偏置电路设计

本文采用与电源电压和温度无关的典型带隙基准源为运放输入端及其他部分提供偏置电压。

PTAT 结构能产生与温度成正相关的电流，Q3（图5）则产生一个相等温度系数的、与温度成负相关的电流，从而得到一个与温度无关的电流，再经过电阻转换为一个与温度无关的基准电压[15-17]。本文带隙基准源的设计仅以满足运放输入及其他部分偏置电压需求为主，不需要添加其他复杂的补偿结构。

1.4 温度传感器电路设计

新型片上温度传感器整体电路结构如图5 所示。

图5 电路包括启动电路、偏置电路、运算放大器和温度传感器核心电路4 个部分。M1、M2 栅极接地，导通后为M4 管提供栅压。M4 管源极接地，电压快速下拉，使得 M5、M6、M7、M8、M13、M14 快速导通，起到快速启动的作用。M18—M36 为带隙基准电压源，为运放输入端提供偏置电压。运放采用正反馈连接，对器件由于温度变化产生的微弱信号进行放大，进而增加输出范围，提高精度。

图5 温度传感器电路整体结构Fig.5 Overall structure of temperature sensor circuit

本文设计的温度传感器采用UMC 0.18 μm CMOS工艺，在3.3 V 电源电压下，温度范围为-45～125 ℃时，输出电压直流模拟仿真得到结果如图6 所示。

图6 输出电压随温度变化曲线Fig.6 Variation curve of output voltage with temperature

由图6 可以看出，输出电压与绝对温度成正比关系，且线性度良好，输出电压范围为0.569～3.273 V。后文将对此仿真结果做进一步的详细分析。

2 仿真结果分析

在不同温度下对输出电压Vtemp进行瞬态仿真，间隔10 ℃取一个仿真结果。在温度范围为-45～125 ℃时，输出电压范围为2.704 V。图7 为输出电压Vtemp与温度的拟合曲线。

图7 输出电压（V）-温度（℃）拟合曲线Fig.7 Fitting curve of output voltage（V）-temperature（℃）

由图7 可见，所有的取值点都散落在趋势线（红色直线）附近很小的范围内。同时将灵敏度定义为：

其中 ΔT = 170 ℃，ΔVtemp= 2.704 V，代入式（9）可得灵敏度为15.9 mV/℃。将误差定义为：

在-25 ℃时有最大偏移量-3.34 mV、25 ℃时有最小偏移量1.91 mV，分别代入式（10），可得 ε≈-0.21 ℃、0.12 ℃。由此可知，在-45～125 ℃温度测量范围内，计算得到的测量精度为0.12 ℃/-0.21 ℃。由图7 可知，输出电压线性度为99.93%。

表1 所示为本文设计的温度传感器与其他温度传感器的性能比较。

由表1 可知，对比其他传统温度传感器结构，本文的温度传感器设计通过运放正反馈结构与电阻结合，从而加大输出电压的范围，即增大△Vtemp，进而获得了很高的灵敏度以及较高的精度。本文所设计的片上温度传感器性能更佳。

表1 性能参数对比Tab.1 Comparison of performance parameters

3 结 论

本文新型正反馈式片上温度传感器的设计，与传统结构相对比，在PTAT 结构将环境温度转换为温度等效电流时，利用运算放大器正反馈结构，对器件由于温度变化产生的微弱信号进行进一步放大。采用UMC 0.18 μm CMOS 工艺模拟仿真得到，在-45 ～ 125 ℃温度范围内，输出电压为0.569 ～3.273 V，输出电压曲线线性度达99.93%，灵敏度为15.9 mV/℃，测量精度为0.12 ℃/-0.21 ℃。由此可知通过增加运放正反馈使输出电压范围增大，成功的提高了测量精度以及灵敏度。本设计在非制冷红外探测器、存储器以及嵌入式系统等芯片领域将有广阔的应用前景。