新型低功耗CMOS片上温度传感器设计*

林 荣，蔡 敏，黄伟朝，李正平

(1.华南理工大学电子与信息学院，广州 510640;2.广州润芯信息技术有限公司，广州 510663)

随着集成电路技术的发展，集成度迅速提高，芯片的热效应得到越来越多的关注和研究。各种系统芯片需要体积小、功耗低、性能可靠的片上温度传感器实时检测芯片表面温度变化。目前报道的使用CMOS 工艺的测温方案有很多种［1－3］，参考文献［4］利用CMOS工艺的两个衬底三极管(PNP)的基—射电压差 ΔVBE的温度特性，一个带隙基准电压和∑－ΔADC得到数字输出，该文献报道在－55℃ ～125℃温度测量精度可达±0.1℃(3σ)，但是该设计使用动态元件匹配、斩波放大器和∑－ΔDAC减小误差，而且利用二阶∑－ΔADC作为模数转换器，电路结构复杂，占用芯片面积大，对于片上温度传感器来说，这不是一种经济的方案。参考文献［5－6］中采用了反相器链的延迟时间随温度变化的特性来测量温度，最后通过一个TDC得到被测温度的数字值，电路过于复杂，功耗也较高，不符合低功耗要求。参考文献［7－9］中利用MOS晶体管的阈值电压的温度特性得到负温度特性电压，然后驱动一个VCO，得出频率与温度成比例的振荡信号。但是晶体管的阈值电压的工艺偏差非常大，校准成本较高。

综合考虑阈值电压、迁移率和衬底三极管的感温原理，本文采取衬底PNP管的作为感温元件，这是工业界最成熟的、性能最可靠的感温器件。模数转换器由结构简单、性能稳定环形振荡器和数字测频电路组成。整个系统电路具有面积小、功耗低、结构简单的优点，满足测量精度(±3.5℃)和低功耗要求。……