CMOS集成温度传感器电路设计及仿真

汪 涛, 刘士兴, 易茂祥, 杨文华

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院, 安徽 合肥 230009)

CMOS集成温度传感器电路设计及仿真

汪 涛, 刘士兴, 易茂祥, 杨文华

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院, 安徽 合肥 230009)

根据集成温度传感器的原理,利用晶体三极管发射结作为敏感元件,设计出集成温度传感器电路。根据电路中的器件及其连接关系,得到了该电路的网表文件。基于SPICE软件的仿真实验结果表明,该传感器的电压和电流的温度灵敏度分别为3.15 mV/℃、0.61 μA/℃，且线性度较好。

集成温度传感器； 发射结电压； 网表文件； 电路仿真

集成电路的设计方法主要有全定制方法、半定制方法和FPGA方法[1-2]。全定制方法要求精确到每一个晶体管和连线；半定制方法只需要对已有晶体管阵列布线即可；而FPGA方法只需要进行软件编程就能得到满足功能需要的集成电路。在2013年的中国集成电路设计年会上,与会专家学者提出当前集成电路发展的主要趋势是集成化、可重构化和数字化。因此,数模混合集成电路与传感技术相结合具有重要意义。

温度是对人类生产生活有重要影响的物理量。温度传感器种类繁多,传统的热电偶和热电阻难以和接口电路集成,而MEMS温度传感器和集成温度传感器在提高集成度方面则方便得多[3-5]。集成温度传感器可用于LED散热模块以及热电参数监测等多种场合[6-7]。本文基于全定制设计方法,将先进集成电路设计方法和实际应用相结合,在设计高增益运放电路的基础上,利用双极型晶体三极管的发射结作为敏感元件,设计出CMOS集成温度传感器电路,再根据MOS晶体管模型和PNP晶体管模型得到电路的网表文件,基于SPICE软件仿真得到该温度传感器电路的电压和电流的温度特性。

1 CMOS集成温度传感器的原理

目前CMOS集成温度传感器的设计,大多采用一对非常匹配的双极型晶体管构成差分对结构作为温度敏感元件[8-10]。图1是集成温度传感器基本原理[3]，其中Q1和Q2是互相匹配的PNP晶体管,I1和I2分别是Q1和Q2管的集电极电流,由恒流源提供。

图1 集成温度传感器基本原理图

在理想情况下,当晶体管的放大倍数较大时,可忽略基极电流Ib,则集电极电流Ic约等于发射极电流Ie。衬底型PNP三极管的集电极电流Ic与发射结正偏时的电压关系可由下式给出[3]:

(1)

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。上式经过变换,可表示发射结电压Vbe为[11-12]

(2)

Q1和Q2管的发射极和基极电压之差ΔVbe可用下式表示[10-12]:

(3)

n为Q1和Q2两个双极型晶体三极管发射结的面积之比。如果nI1/I2为定值,则ΔVbe就与温度T成线性变化关系,据此原理可设计出多种不同电路及不同输出类型的集成温度传感器。

(1) 当三极管Q1和Q2的发射结的面积相等时,I1=nI2,该方法对两个双极型晶体三极管版图的匹配精度要求较高。

(2) 在保证I1和I2相等的情况下,使三极管发射结面积AQ2/AQ1=n。本文基于这一原理来设计CMOS集成温度传感器电路。

2 CMOS集成温度传感器电路设计

本文采用4 μm工艺设计电路。CMOS集成温度传感器电路可分为4个模块,分别是偏置电路、差分运放、一级运放和感温模块(见图2)。利用集成电路设计中的源漏公用和晶体管的串并联方法优化电路,该电路共由18个MOS管(见表1)、BJT差分对管Q1和Q2(发射结面积之比为5 μm2∶40 μm2)、3个电阻、2个电容和1个5 V的直流电压源构成。

图2 晶体管级CMOS集成温度传感器电路

μm

3 集成温度传感器的电路仿真

根据器件模型和器件之间的连接关系,初步编写的网表文件如下:

*Simulationnetlist Vdd Vdd 0 DC 5v Gnd Gnd 0 DC 0v M1 1 10 N4 Gnd mn L=4u W=20u M2 2 9 N4 Gnd mn L=4u W=20u M3 1 3 Vdd Vdd mp L=4u W=30u M4 2 3 Vdd Vdd mp L=4u W=30u M5 4 6 Gnd Gnd mn L=4u W=20u M6 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M7 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M8 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M9 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M10 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M11 5 6 Gnd Gnd mn L=4u W=65u M12 5 6 Gnd Gnd mn L=4u W=65u M13 9 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M14 10 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M15 15 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M16 14 14 Vdd Vdd mp L=4u W=4u M17 13 13 14 14 mp L=4u W=4u M18 13 13 Gnd Gnd mn L=4u W=20u Q1 Gnd 12 9 QPNP AREAA=5 AREAB=8 AREAC=10 MOD3

Q2 Gnd 12 11 QPNP AREAA=40 AREAB=64

AREAC=80 MOD3

R0 5 8 3K

R1 10 11 0.5K

R2 15 Gnd 5K

C1 7 8 5.2p

C2 7 Gnd 10p

根据电路网表文件进行SPICE软件仿真,反复调试各器件参数值并优化处理,可得到整个电路的输出结果(见图3和图4)。从图3和图4可以看出,PTAT(proportional to absolute temperature,与绝对温度成正比)电压和PTAT电流均与温度具有较好的线性关系。当温度超过120℃时,PTAT电压和PTAT电流的增加速率随温度升高而加快,曲线斜率变大,PTAT电压和PTAT电流的温度灵敏度分别为3.15 mV/℃、0.61 μA/℃,线性度(非线性误差)分别为2.58%和2.56%。

图3 温度传感电路的电压随温度变化曲线图

图4 温度传感电路的电流随温度变化曲线图

4 结束语

本文从集成温度传感器的原理出发,利用晶体三极管发射结电压随温度的变化关系来反推温度变化,设计出CMOS集成温度传感器电路,根据器件及其连接关系得到电路的网表文件,再利用SPICE软件仿真得到电压及电流随温度变化曲线图。以集成电路设计的一般性方法为基础,再采用提高电学性能的方法,所得到的传感电路灵敏度和线性度较好。在进一步的工作中,可根据网表文件设计版图,对版图中提取的网表文件和电路图网表文件做一致性检查后可流片测试。

References)

[1] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿,译.西安:西安交通大学出版社,2002.

[2] Rabaey J M.,Chandrakasan A,Nikolic B.数字集成电路:电路、系统与设计[M].周润德,译.北京:电子工业出版社,2004.

[3] 刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2004.

[4] 陆婷婷,秦明,黄庆安.一种新型MEMS温度传感器的设计[J].功能材料与器件学报,2008(2):223-226.

[5] 马洪宇,黄庆安,秦明.谐振式MEMS温度传感器设计[J].光学精密工程,2010(9):2022-2027.

[6] 张建新,武志刚,李松宇,等.LED散热模块总热阻测量实验系统开发[J].实验技术与管理,2013,30(12):77-81.

[7] 尚剑锋,史湘伟,刘雪林,等.太阳能供电半导体制冷与温差发电演示仪[J].实验技术与管理,2013,30(5):52-55.

[8] Allen P E.CMOS模拟集成电路设计[M].冯军,译.北京:电子工业出版社,2005.

[9] 祁雪.CMOS带隙温度传感器电路的研究[D].南京:东南大学,2006.

[10] 钟灿.CMOS模拟集成温度传感器的设计[D].厦门:厦门大学,2006.

[11] 贺斌.高精度CMOS温度传感器关键技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2006.

[12] 张少嘉,冯勇建,陈有炼.CMOS数字集成温度传感器的开发[J].厦门大学学报:自然科学版,2008(2):182-185.

Design and simulation of CMOS integrated temperature sensor circuit

Wang Tao, Liu Shixing, Yi Maoxiang, Yang Wenhua

(School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Based on the principle of integrated temperature sensor,the sensor circuit is designed due to the emitter junction voltage of the transistor working as the sensitive element. The netlist file of the sensor circuit is obtained according to the devices and the connections. It is shown by the simulated results from the SPICE software that the temperature sensitivity of the voltage and the current is 3.15mV/℃ and 0.61μA/℃, respectively. Furthermore,the linearity is valuable.

integrated temperature sensor; emitter junction voltage; netlist file: circuit simulation

2014- 11- 14

国家自然科学基金项目(61371025)；国家自然科学基金项目(61404042)；安徽高校省级自然科学研究重点项目(KJ2012Z316)；合肥工业大学校内专项项目(2012HGXJ0063)

汪涛(1981—),男,河南商城,在读博士生,讲师,主要研究方向为天线与集成电路.

E-mail：wulishuwt@163.com

TN432

A

1002-4956(2015)6- 0114- 03