电子技术在温度传感器中的应用研究

吴继锋

(马鞍山理工学校, 安徽马鞍山, 243000)

1 COMS正反馈式温度传感器概述

本次所研究的COMS正反馈式温度传感器是应用在半导体集成电路片上热管理中的正反馈式新型温度传感器。具体设计中，将运算放大器中的正反馈结构设置在了PTAT电流转化电路内，使其和电阻相结合，这样便可对半导体器件中的微弱温度变化信号做进一步的放大处理，使其输出摆幅显著增大，进而达到足够的灵敏度与测量精度[1]。这种温度传感器在嵌入式系统、储存器以及非制冷形式的红外探测器等内部芯片温度监测中都十分适用。

2 温度传感器设计中的电子技术应用分析

2.1 在PTAT电路结构设计中的应用

在本次所研究的COMS正反馈式温度传感器中，其温度传感器应用的是PTAT型电流源结构，通过该结构的应用，可实现系统误差的有效降低。在传统形式的温度传感器中，PTAT结构主要是在handgap这一结构基础上衍生而来，而其PTAT电流到温度的转化与相应的电压输出仅仅通过简单的电阻来实现，且电压输出范围很小，测量精度不高。基于此，在本次设计中，为有效解决传统温度传感器的设计弊端，特在电路中加设了运算放大器正反馈结构，使其和电阻之间进行有效结合，这样便可对器件中微弱的温度信号变化进行有效的放大处理，以此来实现输出电压的显著提升。下图是PTAT温度传感器电路传统结构（左）和正反馈新型结构示意图（右）。

图1 PTAT温度传感器电路传统结构（左）和正反馈新型结构示意图（右）

在PTAT温度传感器正反馈新型结构中，Q1以及Q2应用的是NPN晶体管，具体设计中，将Q1的发射极面积设计为Q2发射极面积的8倍，其他各项参数保持一致。然后通过正反馈的形式进行连接，并对微弱的温度变化信号进行放大处理。

对于PTAT温度传感器的传统结构，如果将其中的MOS管M1、M2以及M3的宽长比设计为1:2:3。改进设计中，则需要按照以下的公式来进行计算：

在以上公式中，有VT=kT/q；其中，VBE1代表M1电压输出值；VBE2代表M2电压输出值；VR3代表M3电压输出值；Is代表晶体管发射机中的反向饱和电流值；k代表的是波尔兹曼常数；q代表的是电子所具有的电荷量；T代表的是温度绝对值；Vtenp代表瞬态电压输出值。同时也有：IS1=8IS2[2]。

在本次设计中，应用的是虚短接法，其中有：

在该情况下，可以将公式（2）转变为以下形式：

可以将公式（3）转变为以下形式：

可以将公式（4）转变为以下形式：

将公式（6）（7）（8）联立可得出 ：

通过公式（9）可知，在本次基于电子技术所设计的PTAT温度传感器正反馈新型结构中，输出电压和温度之间具有正比关系。因此，在通过该温度传感器进行温度监测的过程中，当前的温度变化情况可通过Vtemp来表示。

2.2 在运算放大器设计中的应用

在本次基于电子技术设计的PTAT温度传感器中，关于运算放大器，其主要的要求包括两个方面，第一，需要将失调电压有效降低，让运算放大器的增益达到75dB以上；第二，为避免电源波动对于输出电压的过大影响，需要将电源抑制比控制在-75dB以下。基于此，在本次的温度传感器设计中，选择了共源共栅折叠形式的运算放大器，相比较传统的套筒放大器而言，其共模输入范围更大，可在后续的偏执电压设置中提供足够便利。下图是本次基于电子技术设计的PTAT温度传感器运算放大器电路结构示意图。

图2 本次基于电子技术设计的PTAT温度传感器运算放大器电路结构示意图

其中，M1-M5代表电流源；M6-M16代表偏置电路，其主要功能是对运算放大器进行偏置电压的提供；M17-M27代表运算放大器中的放大结构；M18和M19代表PMOS中的差分输入对。

具体设计中，应用的是UMC0.18μmCOMS工艺，在电容负载是1pF，温度分别是-45℃、-15℃、15℃、45℃、75℃、105℃以及125℃条件下进行运算放大器电路的模拟仿真。通过仿真结果分析发现，当处在不同温度条件下时，该运算放大器自身的增益值都可以超过75dB。通过计算与分析发现，在温度是125℃时的增益值最小，其增益值仅仅是78.3dB；在温度是-45℃时的增益值最大，其增益值达到了83.82dB。这与该温度传感器的实际应用需求完全相符。当处在不同温度条件下时，该运算放大器的电源控制比都可以低于-75dB。通过计算与分析发现，在温度是125℃时的控制比最大，其控制比是-83.51dB；在温度是-45℃时的控制比最小，其控制比是-85.26dB。这与该温度传感器的实际应用需求完全相符。

2.3 在偏置电路设计中的应用

在本次基于电子技术的PTAT温度传感器设计中，应用的是无关于电源电压以及温度的典型带隙基准源，以此来为运算放大器进行偏置电压提供。借助于PTAT结构，可实现一个电流值的形成，这个电流值和温度正相关。而在其整个的电路结构中，则会有一个电流产生，这个电流与上一个电流具有相同的系数，但是和温度负相关，这样便可让获得的电流和温度无关。在通过电阻进行转换之后，便可获得到一个无关于温度的基准电压。将该基准源应用到本次基于电子技术所设计的PTAT温度传感器中，不仅可使其运算放大器输入部分和其他部分的偏置电压需求得以充分满足，同时也不需要进行其他补偿机构的加设[3]。

2.4 在温度传感器电路设计中的应用

图3是本次基于电子技术所设计的PTAT温度传感器整体电路结构示意图。

在该电路结构中，主要的组成部分有四个，第一是启动电路，第二是偏置电路，第三是运算放大器，第四是温度传感器中的核心电路。具体设计中，将M1以及M2中的栅极左接地处理，导通之后便可为M4管进行栅压提供；将M4管中的源极做接地处理，快速下拉其电压，便可迅速将M5、M6、M7、M8、M13以及M14导通，以此来达到迅速启动的效果；M18-M36属于带隙基准电压源，其主要功能是将偏置电压提供给是-45-125℃之间，其电压输出的取值范围是1.704V。

图3 本次基于电子技术所设计的PTAT温度传感器整体电路结构示意图

经进一步分析发现，全部的取值点都与趋势线十分接近。经进一步计算得出，其测量精度可控制在-0.21-+0.12℃之间；电压线性度输出值可达到99.93%。由此可见，该温度传感器的测量精度及其灵敏度都十分良好。

3 仿真结果分析

为确保电子技术在温度传感器中的应用效果，在本次通过电子技术进行PTAT温度传感器的设计之后，特对其在不同温度条件下的电压输出值Vtenp瞬态进行了仿真，仿真过程中，每隔10℃进行一次结果取值。经仿真分析可知，在温度运算放大器中的输入端。运算放大器的连接方式为正反馈形式，以此来有效放大器件中的微弱温度变化信号，实现温度传感器检测范围的扩大和检测精度的提升。