基于CMOS集成温度传感器的电路设计与仿真

吴梦维，王振铎

(哈尔滨理工大学 软件与微电子学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

近年来，互补金属氧化物半导体(CMOS)已广泛用于传感器电路设计。2016年，Mansoor等人[1]设计了一种硅绝缘体CMOS多传感器微机电系统芯片，其可以同时测量温度、压力和流量。2017年，Wen-Sheng等人[2]提出了一种用于变温系统中光探测器的暗电流抑制技术。CMOS温度传感器的优点包括体积小、成本低、性能高，且易于批量生产。在众多工业应用中，温度传感器可在-30～125 ℃的宽温度范围内工作[3]。通常使用双极型和金属氧化物半导体(MOS)晶体管来实现片上传感器，例如温度传感器[4]。在双极型晶体管中，基极-发射极电压与饱和电流用于提取基本信号。而在MOS晶体管的情况下，基本信号来源于阈值电压和迁移率。然而，温度传感器的大部分电路均是由双极晶体管使用的，因双极晶体管的温度特性比MOS晶体管更好[5]。

本文设计基于CMOS的集成温度传感器，其主要由偏置电路、运算放大器以及热传感器组成。文中讨论了电路的主要设计，包括偏置电路、运算放大器电路、热传感器。并在50 nm工艺下对电路进行仿真，得出该传感器的温度系数为5.9 mV /℃。

1 温度传感器设计

1.1 温度传感器原理

图1所示为温度传感器电路的结构。传感器电路由电流镜像源，一对双极型晶体管和一个电阻组成。Q1和Q2是两个NPN双极晶体管；I1和I2分别为Q1和Q2的集电极电流，分别由恒流源提供；电阻R上的电压是VBE1和VBE2之间的电压差。电压和电流之间的关系[6]为

(1)

(2)

其中K是玻尔兹曼常数，q是电子电荷，T是绝对温度；γ是Q1和Q2的发射极面积比。当γ=1时，式(2)有效。根据式(1)和式(2)，当温度升高时，基级-发射极电压降低，因此，传感器可以将温度信号转换成电压信号。

图1 温度传感器原理图

1.2 偏置电路设计

为了给放大器电路提供偏置，偏置电路分为启动电路和β乘法器电路。启动电路集成在一起，以确保电路稳定在正确的工作点。Liu X等人[7]提出的β乘法电路可用于实现MOS源侧的电阻，同时还可计算电流数据。根据图2所示，VGS1和VGS2之间的关系表示为

VGS1=VGS2+IREF·R1,VGS1>VGS2

(3)

为满足式(3)，为M2的β2选择较大的W2/L2。 然后，只需要一个较小的栅源电压便可获得所需的电流IREF。电压和电流之间的关系为[8]

(4)

(5)

β2=K·β1

(6)

所以

(7)

在β乘法电路参考电压源中，M1的栅极电压总是与温度有关。通过Spice软件模拟，结果显示温度变化为60 mV / 100 ℃[9]。

图2 β乘法电路图

短沟道偏置电路由β乘法器电路和基准电路组成。 根据式(8)～式(15)，计算电路参数。在短沟道偏置电路设计中，栅极-源极电压VGS和阈值电压VTHN之间的差值是栅极过驱动电压VOVN。栅极过驱动电压是一个重要的参数，其与MOS反转频率fT成正比。为了实现更高的工作速度，漏电流ID和跨导gm均与MOS的宽度有关。

VOVN=VGS-VTHN≠VDS,Sat

(8)

VOVN=70 mV→VGS=350 mV

(9)

(10)

ID=Vsat·Cox·W·(VGS-VTHN-VDS,sat)

(11)

(12)

ID=10 μA

(13)

gm=150 μA/V

(14)

(15)

1.3 运算放大器设计

运放模块如图3所示，其中，包括差分放大器和二级放大器。采用共源共栅结构差分放大器作为第一级放大器，vp和vn为输入端，其的输出为V1out。次级放大器是一个共源放大器，该放大器的输出是V2out。整个放大器的增益AOLDC取决于两级增益A1和A2的乘积，如式(16)所示。A1是差分放大器的增益，其取决于跨导gmn和输出电阻R1的乘积。在差分放大器中，输出电阻R1是ron和rop的并联电阻，可由式(18)给出。A2是次级放大器的增益，其取决于跨导gmp和输出电阻R2的乘积。采用高增益的单级放大器来避免两级结构的稳定性补偿，故需要高跨导gm[10]。在次级放大器中，输出电阻R2近似等于由式(19)给出的rop。

AOLDC=A1·A2=gmn·(ron‖rop)·gmp·rop

(16)

A1=gmn·R1,A2=gmp·R2

(17)

R1=ron‖rop=111 kΩ

(18)

R2=ron‖rocasn≃rop=333 kΩ

(19)

(20)

这些电路包含一个由C1实现的输出缓冲器。放大器的输出电阻rop为333 kΩ。若将缓冲器添加到次级放大器的输出端，电路将获得合适的增益和良好的电源抑制比。虽该过程可能会导致次级增益降低，但由于第一级电路增益更大，电路仍可获得更合理的整体增益。在第一级电路中，差分放大器增益为500；第二级放大器采用拓扑结构，其增益取决于其驱动负载阻力。 若没有负载连接到另一个输出，则增益如下

(21)

AOLDC=A1·A2=15 800

(22)

20lgAOLDC=84 dB

(23)

最后，整体运算放大器增益为84 dB。

图3 运算放大器电路图

1.3 热传感器电路设计

如图4所示，热传感器的结构由几个部分组成。Q1和Q2是两个NPN双极型晶体管，vp和vn是运算放大器的输入端，M30是一个共源放大器，用于获得更高的精度。

图4 热传感器电路图

2 电路仿真

图5 拟合曲线图

本文采用LTspice and Matlab进行电路设计，并在50 nm工艺下对传感器电路进行仿真。取传感器输出节点作为模拟测试点，其也是整个电路的输出端。根据模拟数据，拟合曲线如图5所示，点和线分别代表原始数据与拟合曲线。输出电压V与温度T之间的关系为

V=-0.005 9T+3.897 3

(24)

温度系数为5.9 mV /℃，这意味着当温度每变化1 ℃时，电压将改变5.9 mV。

3 结束语

为提高温度传感器的测量精度及缩小其面积与功耗，本文设计了一种使用NPN晶体管进行温度测量的完全集成CMOS半导体传感器，并在50 nm技术中模拟了可以感知温度变化的全集成CMOS传感器。由于采用了50 nm技术，节省了应用电路的面积，降低了功耗，且提高了运行速度。在-30～125 ℃的测试范围内，温度传感器的灵敏度为5.9 mV/℃。该设计可以植入集成电路中以监测芯片上的温度，并确保芯片的安全。