智能低功耗型温度传感器组成的主要材料

一种智能温度传感器的设计

摘要：设计一款智能低功耗型温度传感器，用衬底 PNP 感知温度变化，并采用三阶 Sigma-delta ADC 作为读出电路，将温度值转化为数字量输出。采用线性函数对 ADC 输出量进行拟合。整体电路采用中芯国际 0.18 μm CMOS 工艺进行设计，在 1.8 V 供电电压下，功耗为 183.3 μW。测量温度范围为 0～100 ℃。ADC 有效位数 11.2 位，采样频率为 4 kHz，信噪比为 90 dB。

关键词：温度传感器；低功耗；模拟数字转换器。

中图分类号：TP242 文章编号：1674-2583（2020）04-0054-03

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2020.04.017

中文引用格式：林伟文。一种智能温度传感器的设计［J］。集成电路应用， 2020， 37（04）： 54-56.

Design of a Smart Temperature Sensor

LIN Weiwen

Abstract — This study aims to design a smart low-power temperature sensor. A method using substrate PNP to sense temperature change is being used. Using a third-order sigma-delta ADC to convert the temperature into digital output. A linear function is used to fit the ADC output. The proposed temperature sensor was implemented in 0.18 µm CMOS technology provided by SMIC （ Semiconductor Manufactory International Corporation）。 Under 1.8 V supply voltage， the power consumption is 183.3 µW. The measurable temperature range is 0～100 ℃。 The ADC performs 11.2 bits ENOB. The sampling frequency is 4 kHz， and the signal-to-noise ratio is 90 dB.

Index Terms — temperature sensor， low-power， ADC.

0 引言

温度传感器是工业界和生活中应用最广泛的一类物理量传感器［1-5］。传统的温度传感器以铂和铜为主要材料［6-9］，以分立元器件形式存在，体积较为庞大，并且不为当前主流的流片代工工艺所接受。

本文提出了一种采用单 BJT 衬底 PNP 感知温度结构的三阶 Sigma-delta ADC 温度传感器，仅用一个 PNP 晶体管对温度作感知读取，即可对温度与电压进行拟合。

本文第 1 部分介绍了集成性温度传感器的工作原理。第 2 部分介绍了温度传感器感温电路以及 ADC 架构和实现电路。第 3 部分给出了仿真测试结果。在文章的最后进行总结。

1 基于 BJT 的感温电路

PN 结是利用多子和少子在偏置电压和势垒电压下传输的特点进行工作的。记 PN 结的电压为 VBE，结电压差为 ΔVBE，则有式（1）和式（2）［10］。

（1）

（2）

其中，T 是温度，q 是电子电荷量，Eg 是硅的带隙能量，k 是波耳兹曼常数，N 为产生 VBE 电压差 ΔVBE 的两个偏置电流支路的电流比，VT 定义如式（3）所示。

（3）

即 PN 结的电压呈负温度特性，PN 结的电压差呈正温度特性。

ADC 电路结合传感器，利用比率计原理，可以构造出与温度呈线性关系的电压比值，构造形式如式（4）所示［11］。

（4）

其中，记式（4）分母为 VREF，是带隙基准电压，如式（5）所示，其电压值在工作范围内随温度变化近似可忽略［12］。因此，由式（4）得出的 X 值将随温度呈现一次函数的特性。

（5）

通过线性拟合后，能够将温度值与读出电路的输出一一对应，如式（6）所示［11］。

（6）

但该类型的温度传感器需要同时对 PN 结电压和 PN 结电压差进行采集，如果采用普通 CMOS 工艺，仅有衬底 PNP 类型可供使用，至少需要用到两个衬底 PNP 同时感知温度，对 PN 结电压和结电压差进行处理，才能同时拟合出温度与电压的关系。

VBE 和 ΔVBE 各自对 Dout 敏感度由式（7）和式（8）所定义［13］。由于 VBE 和 ΔVBE 会对输出 Dout 的精确值造成影响，同时控制两者，以达到所需的温度精度将存在较大的困难。

（7）

（8）

本文提出仅采用单个 BJT 的 VBE 电压作为温度的感知读取量，且利用电源电压作为参考电压，避免了利用与温度无关基准电压作为参考电压所带来的感温器件量多，电压叠加复杂以及多温度-电压敏感量所带来的精确性多变量制约的问题。

2 温度传感器系统结构和实现电路

本文设计中采用单个衬底 PNP 感知温度的变化量作为待读取量，温度变化转为 PN 结电压的变化，温度与电压的关系由式（1）给出。接着，通过三阶 Sigma-delta ADC 作为读出电路，将 PN 结电压模拟量转为数字量。

通过比较器的输出来控制参考电压极性，完成参考电压与输入电压交替在采样电容中充电，实现电荷平衡，其具体过程可由式（9）表示。最终，输出码流密度 μ 将如式（10）所示。由式（10）即可得出电路的输出量与温度相关联。

（9）

（10）

各级积分器由跨导放大器和采样电容、积分电容构成，具体电路如图 1 所示［14］。采用两相不交叠时钟控制。

由于单位量化器线性度非常高，因此，在设计中采用单位量化器对调制器的输出进行量化［15］。对于量化噪声来说，Sigma-delta ADC 相当于高通滤波器。因此，量化噪声将被调制到高频处，而对于传感器所关注的低频段就能被用来传输信号。

前端集成性温度感知电路采用 BJT 衬底 PNP 器件，能够兼容普通 CMOS 工艺。仅用一个 BJT 器件作感温电压用于后续 Sigma-detla ADC 读出电路读取。进一步简化传统温度传感器的电路结构。具体电路如图 2 所示。

其中 Q1、Q2、Q3 构成带隙电压基准的关键模块，为整个温度感知电路和后端的 ADC 读出电路提供电压基准和电流基准。Q4 单独作为温度感知电路。M4和运放构成增益自举结构，能够进一步提高输出阻抗。温度免疫模块控制 M4 管子所在支路的电流不随温度而变化。其主要原理是通过利用正温度系数电阻和负温度系数电阻工作。

为了使系统稳定，三阶 Sigma-delta ADC 的电压输入范围限制为 ±0.65VREF 以内［16］。电流控制模块能够合理地偏置 Q4 所在的支路电流大小，使 Q4 的 PN 结电压值在所关心的温度范围内呈现的电压在三阶 Sigma-delta ADC 能够正常读取的范围。

3 仿真测试结果

温度感知电路的输出电压与温度呈负相关关系。通过三阶 Sigma-delta ADC 作为读出电路，将模拟量转为数字量。在后端对数字量作拟合。对输出的码流进行采集，作频谱图，如图 3 所示。其噪底为 -90 dB，具有三阶噪声整形效果。

在 0～100 ℃ 温度范围内，每隔 10 ℃ 采集读出电路输出。ADC 的数字量输出如图 4 所示，满足式（10）的关系式。

对输出 Dout 关于 T 作线性拟合，其误差为 +0.5/-0.36 ℃。在后端适当校准，能够进一步减小误差。

通过对输出作二次函数校准，误差减小至+0.07/-0.14 ℃，如图 5 所示。

4 结语

本文提出一种基于单个衬底 PNP 实现温度感知的温度传感器。通过 Sigma-delta ADC 实现温度数据转换。线性拟合时，能够实现 +0.5/-0.36 ℃ 误差，校准后能够实现 +0.07/-0.14 ℃ 精度。