CMOS集成温度传感器

付秀兰+高艳丽+庞遵林

摘要：基于TSMC的65nm CMOS工艺，利用CMOS工艺下寄生PNP晶体管的温度特性，设计了一款片内的集成温度传感器。文中分析了CMOS温度传感器的工作原理，重点介绍了感温电路、采样比较电路、逐次逼近型数模转换关键电路的设计实现。试验结果表明，在-40oC～120 oC的温度范围内，该温度传感器系统的温度误差小于2oC，功耗为0.75mW。

关键词：温度传感器；感温电路；逐次逼近型数模转换

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）04-0215-03

Integrated Temperature Sensor using CMOS Technology

FU Xiu-lan， GAO Yan-li， PANG Zun-lin

（China Electronic Technology Group Corporation No.38th Research Institute，Hefei 230088，China）

Abstract： Based on the 65nm CMOS process of TSMC， by the temperature characteristic of parasitical PNP transistor， on chip integrated temperature sensor is presented. The working principle of integrated temperature sensor is analyzed. And then ， introduces the implementation of significant， including temperature detection circuit ， sampling and comparing circuit， SAR ADC circuit. Testing result shows that the max error under temperature of -40℃～120 ℃ can below 2℃，and the average power consumption was 0.75mW.

Key words： integrated temperature sensor； temperature detection； SAR ADC

1 概述

从空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品直至 PC机、服务器、计算机外设、移动电话手机等，都需要具有温度传感功能的器件。集成温度传感器与目前常用的传统的温度传感器，如热电偶、铂电阻、双金属片等相比，具有体积小和高集成等优点，能用于控制电路或计算机接口，更加适合在集成电路系统中应用，为未来温度传感器的发展方向。

本文利用CMOS工艺中寄生PNP晶体管的温度特性，研究和设计了一种全集成的温度传感器，该温度传感器的工作范围为-40oC～120 oC，温度误差小于2℃，功耗为0.75mW。

2 总体结构

本文设计的温度传感器的电路结构框图如图 1所示，主要包括感温电路、采样比较电路、DAC、逻辑电路等。

集成温度传感器的工作原理：利用带隙基准原理设计获得一个不随温度变化的基准电压Vbg；利用CMOS工艺下的寄生衬底PNP双极型晶体管[1]的温度特性，可以产生一个与温度成反比的Vbe电压。根据两个电压Vbe（三极管be结电压）和Vbg（带隙基准）随温度变化情况，输入到模数转换器（ADC）中，经过模数转换器的处理，输出与温度相关的数字信号存入寄存器。数据处理单元从寄存器中读取温度数据，进行数据拟合，最终得到片内温度。

3关键电路设计

3.1感温电路

有多种传感原理可用于设计 CMOS 集成温度传感器，比如利用 MOS 晶体管在弱反型区的温度特性，利用 MOS 晶体管阈值电压VT的温度特性等[2]，其缺点是高温下会产生漏电流、复现能力低、容差大和长期稳定性差，在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作[3]。本次感温电路的设计主要利用在CMOS工艺中寄生双极晶体管作为实现温度传感器功能的器件，其优点是低成本、出色的长期稳定性、可预测性较高、工艺的兼容性较好[4]。其结构如图 2所示。

双极型晶体管PNP2的基极-发射级的电压Vbg为：

电压Vbg和Vbe的仿真结果如图 3所示，可以看出，温度范围在-40oC～120oC电压Vbg的电压变化量为2.3mV，电压Vbe与温度成反比，电压变化量为310mV。

3.2采样比较电路

由于温度传感器对ADC的速度要求不高，本设计采用单端结构实现的采样比较器，通过逻辑控制，使比较器在不同的控制逻辑下，分别工作于运算放大、比较器，实现采样、比较的功能。选择这种比较器，可以省略比例放大器，同时能避免一般差分比较器的失调，从而提高传感器的线性度和精确度。其结构如图4所示。

采样电路主要是分别采取与温度成反比的Vbe电压、不随温度变化的基准电压Vbg。工作过程以Vbe为例：

A、采样阶段，控制开关r_h打开、采样开关vdac_h关闭、采样开关vbe_h、rt_sel_h打开，感温电压Vbe输入采样电容c1的一端，采样电容的另一端VN与基准电压vref相同，采样电容c1的电压差位为

B、比较阶段，控制开关r_h关闭、采样开关vdac_h打开、采样开关vbe_h、rt_sel_h关闭，电压Vdac输入采样电容c1的一端，由于电容两端的电压不能突变，电容另一端的电压为VN为

比较器比较Vdac与Vbe的大小，若Vbe大于Vdac，比较器输出逻辑高电平VOH；若Vbe小于Vdac，则比较器输出逻辑低电平VOL。Vbg的采样比较过程依次类推。

3.3 DAC电路

DAC电路主要是将逐次逼近型逻辑寄存器的输出值sar_value[9：0]转变为模拟量电压Vdac。DAC主要包括寄存器、电阻网络两部分。结构如图5所示。寄存器主要实现对sar_value[9：0]的寄存，产生电阻网络的控制信号。

输出电压可以表示为：

[Vdac=avddi=091210-iSi]

其中Si代表sar_value的逻辑值，avdd表示输出电压。

3.4 逐次逼近寄存器

逐次逼近寄存器[5]协调DAC比较器共同工作，完成逐次逼近逻辑，主要使用具有复位和置位功能的触发器串行构成的移位寄存器实现逐次逼近寄存器。完成一个数据的转换需要十五个周期，其中启动占用一个周期，对输入的模拟信号进行采样占用二个，逐次逼近转换过程占用十个，逐次逼近寄存器如图 7所示，图中EOC表示结束信号，CLK为时钟信号，DVDD、GND表示电源和低电平，R表示复位信号，sar_bit<9：0>表示比较结果，COM表示比较器的比较结果。

10位寄存器首先设置在中间刻度512（即：100000000，MSB位D9=1）。此时，DAC输出（vdac） 被设为avdd/2，avdd 是提供给ADC的基准电压。然后，比较判断Vbe是小于还是大于Vdac，如果比较器输出逻辑高电平，sar_bit<9>即寄存器的MSB保持为1。相反，如果比较器输出逻辑低电平，sar_bit<9>清为0。随后，逐次逼近控制逻辑移至下一位，并将该位置为高电平，进行下一次比较。这个过程一直持续到最低有效位（LSB）。经过十个周期完成转换，10位转换结果m1储存在寄存器内。同理，由Vbg拟合出来的数值m2，与m1不同的是，由于Vbg是带隙基准电压，所以m2基本不随温度的变化而变化。

4 芯片版图和仿真结果

使用tsmcN65的5X1z工艺文件绘制的CMOS集成温度传感器如图 8所示，在版图绘制时，比较器的差分管、DAC的电阻要注意匹配，感温电路要注意隔离。

经过版图参数提取后，本文设计的CMOS集成温度传感器的系统后仿真结果如图 9所示，图中的DEC信号表示内部电压Vbe、Vbg的转换结果。

利用恒温箱、开发板、示波器、直流稳压源、温度测量仪等仪器在-40oC～120oC的温度范围内将温度传感器芯片放在恒温箱内，FPGA芯片放在恒温箱外的测试，测量结果如表 1所示，表中T0表示温度传感器放置环境-恒温箱的设定温度，m1、m2分别表示从示波器读取的内部电压Vbe、Vbg的转换结果，T1表示经过数据处理单元得到的片内温度，T表示温度传感器的温度误差。在-40oC～120 oC的温度范围内，不包括数据处理单元，芯片的平均功耗为0.75mW。

5 结论

本文设计了一种CMOS集成温度传感器，感温电路主要利用CMOS工艺下的寄生衬底PNP双极型晶体管的温度特性，产生与温度成反比的电压Vbe和基本不随温度变化的电压Vbg，通过10位逐次逼近型数模转换电路实现温度量的数字信号输出，通过后续的数据处理，实现片内温度的检测。基于65nm CMOS工艺，完成了电路和版图的设计，试验结果表明，该集成温度传感器在-40oC～120 oC，温度误差小于2℃，功耗小于0.75mW，满足集成电路系统中温度传感器的需求。

参考文献：

[1] 江海，吕坚，徐建华，等.基于动态元件匹配的 CMOS 集成温度传感器设计[J].半导体学报，2007，28（11）：1824-1829.

[2] Middelhoek S，Auder S A.Silicon Sensors[M].London：Academic Press，1989.

[3] Szekely V，Rencz M.CMOS temperature sensors and built-in test circuitry for thermal testing of ICs[J].Sensors and Actuators，1998，71：10-18.

[4] 陈贵灿，程军，张瑞智.模拟 CMOS 集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2002：309-321.

[5] Kanti Bacrania，A 12-Bit Successive-Approximation-Type ADC with Digital Error Correction IEEE[J]. Solid-State Circuits，1986，21（6）：1016-1025.