單文燾,張培勇,馮忱暉

(浙江大學(xué)超大規(guī)模集成電路研究所,杭州 310027)

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基于運行模式切換的低不匹配誤差高動態(tài)范圍CMOS智能溫度傳感器*

單文燾,張培勇*,馮忱暉

(浙江大學(xué)超大規(guī)模集成電路研究所,杭州 310027)

提出了一種新的電路結(jié)構(gòu),通過兩種運行模式的切換,可以在降低CMOS智能溫度傳感器不匹配誤差的同時,保證輸出有盡可能高的動態(tài)范圍。理論分析得出,相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),新結(jié)構(gòu)的不匹配誤差能減小66%以上。0.18 μm工藝環(huán)境下的仿真結(jié)果表明,在-55 ℃～125 ℃的溫度范圍內(nèi),輸出能達到90%左右的動態(tài)范圍,和Pertijs提出的改進結(jié)構(gòu)相比,有較大幅度的提高。芯片實測結(jié)果在-10 ℃～100 ℃的溫度范圍內(nèi)證實了這個結(jié)論。

溫度傳感器;不匹配誤差;動態(tài)范圍;CMOS工藝

隨著制造工藝的快速發(fā)展,如今微處理器的電路密度越來越大,工作頻率越來越高,隨之而來的則是散熱的困難,以及溫度的不均勻分布。另一方面,隨著工藝的進步不匹配誤差會變得越來越復(fù)雜[1],并且會隨著工藝尺寸的減小迅速增大[2]。這也會加劇芯片溫度的不均勻分布。因此就需要多個片上溫度傳感器來對芯片溫度進行監(jiān)控,以便在運行溫度過高時觸發(fā)相應(yīng)操作保護芯片。Intel、Samsung等公司所生產(chǎn)的微處理器中都會包含多個溫度傳感器[4-6]。近年來雖然對PC的需求逐漸放緩,但是隨著智能手機等移動互聯(lián)終端的快速發(fā)展,必然會對溫度傳感器產(chǎn)生新一輪的強勁需求。

智能溫度傳感器[3]是將溫度傳感器,ADC(Analog-to-Digital Converter),總線接口集成在一塊芯片上。相對于鉑電阻和熱電偶等傳統(tǒng)溫度傳感器,智能溫度傳感器的主要優(yōu)勢有通信方便,兼容標準CMOS工藝,可以通過集成電路大量復(fù)制的特點來降低成本,信號采集和處理的本地化使得測量抗干擾能力更強。溫度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,用于工業(yè)[7],消費電子等領(lǐng)域的智能溫度傳感器已經(jīng)非常成熟,特別是在微處理器的溫度監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)有著非常廣泛的應(yīng)用。近年來隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等概念的提出,出現(xiàn)了一些和射頻識別相結(jié)合的研究[8]。

到目前為止,智能溫度傳感器的設(shè)計已經(jīng)比較成熟,文獻[9]的精度在軍用級溫度范圍(-50 ℃～120 ℃)之內(nèi)能達到±0.1 ℃。文獻[10]在22 nm工藝下設(shè)計了面積僅為0.006 mm2的溫度傳感器。

隨著工藝的進步,對智能溫度傳感器的設(shè)計也帶來了一些新的挑戰(zhàn)。比如較大的不匹配誤差會影響智能溫度傳感器的測量精度。因此,在設(shè)計時需要采用一些特殊的結(jié)構(gòu),比如DEM(Dynamic Element Matching)[11]來減小不匹配誤差或者通過減少MOS管的數(shù)量來從源頭上控制不匹配誤差。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)[12]為了能使輸出比特流達到90%的動態(tài)范圍,從而能增加對溫度的敏感度[13],采用了比例電流鏡,因此存在一定的不匹配誤差。Pertijs在文獻[14]中提出的結(jié)構(gòu)可以改善不匹配誤差,但是Pertijs結(jié)構(gòu)的ADC輸出比特流的動態(tài)范圍只有大約30%。較低的動態(tài)范圍意味著,要想達到同樣的分辨率需要更多的時鐘周期。雖然Pertijs通過采用二階∑ΔADC結(jié)構(gòu)彌補了動態(tài)范圍不足的缺陷。但若采用的是其他類型的ADC,比如一階∑ΔADC,文獻[14]的結(jié)構(gòu)就不太合適。本文的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,在降低不匹配誤差的同時還可以保證大約90%的動態(tài)范圍。在相同的計數(shù)周期內(nèi),較高的動態(tài)范圍可以得到較高的溫度精度。

本文的主要結(jié)構(gòu)如下:在第1部分中,簡單介紹了傳統(tǒng)智能溫度傳感器的結(jié)構(gòu)及其不足之處。第2部分介紹了本文的改進結(jié)構(gòu)。第3部分給出了實驗結(jié)果并進行了分析。在最后,對本文做出了總結(jié)。

1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于BJT(Biopolar Junction Transistor)的傳統(tǒng)智能溫度傳感器的模擬部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中pmos和nmos的襯底分別接VDD和GND,省略未畫,運放的電源和地也被省略。其中數(shù)字表示相同mos管或者PNP管的個數(shù)。start信號為低電平時,模擬電路正常工作。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬部分原理圖

該電路主要由兩部分組成,一個是PTAT(Proportional-to-Absolute Temperature)電壓產(chǎn)生電路,另一個是CTAT(Complementary-to-Absolute Temperature)電壓產(chǎn)生電路。CTAT電路比較簡單,三極管的發(fā)射極-基極電壓VBE就近似是一個CTAT電壓,如式(1)所示。k是波爾茲曼常量,T是絕對溫度,q是電子電量,IS是PN結(jié)反向飽和電流,IC是集電極電流。

PTAT部分是將兩個完全一樣的三極管,用比值為p的兩路電流進行偏置。兩個管子的電壓差ΔVBE如式(1)所示,就是非常好的PTAT電壓,而且和工藝偏差無關(guān)。

(1)

(2)

該結(jié)構(gòu)先將PTAT電壓和CTAT電壓分別轉(zhuǎn)換成電流信號Iptat和Ictat,最后通過比例電流鏡產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流Itemp以及零溫度系數(shù)的基準電流Iref。

利用一階∑ΔADC,得到占空比如式(3)所示的比特流bs,再利用一個D觸發(fā)器,最后得到一段時間內(nèi)的脈沖計數(shù)值,時間長度由控制模塊設(shè)定,通過UART輸出到PC端,做進一步處理。u1的分子部分之所以減去VBE是為了提高動態(tài)范圍,充分利用ADC的計數(shù)范圍,u1的動態(tài)范圍大概為90%。更直觀的解釋,可以參照圖2中的點劃線表示的2αΔVBE-VBE。在這里動態(tài)范圍可以理解為縱坐標的變化范圍,相對于兩條實線所表示的ΔVBE和VBE,較低部分以及較高部分的動態(tài)范圍都被充分利用。

(3)

這里由于使用了較多的比例電流鏡,因此會存在一定的不匹配誤差。Pertijs在在文獻[14]中提出的結(jié)構(gòu),可以改善不匹配誤差,但是將動態(tài)范圍從90%降低到了30%。對此,本文提出了一種既可以減小不匹配誤差,又能保證90%動態(tài)范圍的新結(jié)構(gòu)。

圖2 動態(tài)范圍圖[12]

(4)

A·Dout(T)+B=Tm

(5)

最后將u做線性變換得到數(shù)字輸出Dout。經(jīng)過比例縮放,可得到測量溫度。如根據(jù)在T1和T2這兩個溫度點的數(shù)字輸出列出方程組,如式(4)所示,可以得到系數(shù)A和B。對于其他溫度下的數(shù)字輸出Dout(T),可以利用式,計算得到測量溫度Tm。

2 基于運行模式切換的改進結(jié)構(gòu)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

本文所實現(xiàn)的智能溫度傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。模擬部分的主要功能是基準電流和正溫度系數(shù)電流的產(chǎn)生,該部分的詳細結(jié)構(gòu)如圖4所示。數(shù)字部分主要完成A/D轉(zhuǎn)換,計數(shù)器啟動,停止計數(shù)等控制任務(wù),另外還包括了一個UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)通信模塊,圖4中RxD和TxD分別是接受和發(fā)送端口。

圖3 整體結(jié)構(gòu)框圖

圖4 改進結(jié)構(gòu)的模擬部分原理圖

圖5 改進結(jié)構(gòu)的ADC原理圖

通過施加不同的sel信號來選擇送入計數(shù)器的比特流,這兩種比特流分別對應(yīng)了兩種運行模式。然后,對兩種比特流的計數(shù)值做一個簡單的計算,就可以得到最后的輸出。

2.2 動態(tài)范圍分析

這里有兩種模式,輸入計數(shù)器的比特流的占空比u2如式(6)所示,式中的α′≈11.6。兩種模式下的動態(tài)范圍分別如圖2所示,每種只有大約30%的占空比。sel=1時輸入計數(shù)器的比特流是sel=0時的比特流取非的結(jié)果。所以sel=1時所得到的比特流的平均值,其實就是1減去sel=0時的平均值。Pertijs在在文獻[14]中提出的基本結(jié)構(gòu)相當于只是sel=0時的結(jié)構(gòu),所以測量結(jié)果只有大約30%的動態(tài)范圍。

(6)

改進結(jié)構(gòu)可以得到同一溫度,相同轉(zhuǎn)換時間,sel=0以及sel=1時,計數(shù)器的計數(shù)值Dout0和Dout1。最后計算2*Dout0-Dout1,相當于式(3)的比例縮放值。因此和圖2類似,可以保證90%的動態(tài)范圍。文獻[14]采用的是二階∑ΔADC,精度足夠高,所以即使動態(tài)范圍只有30%,也能在較短時間內(nèi)達到足夠高的精度。而且二階∑ΔADC在動態(tài)范圍接近0和1時會有比較大的誤差[14],因此只取30%～60%的動態(tài)范圍,剛好可以避免這個問題。但對于采用一階∑ΔADC的結(jié)構(gòu),由于一階∑ΔADC的精度有限,而且0～1動態(tài)范圍內(nèi)的誤差分布較平均,所以若想減小由于電流鏡的使用所引入的不匹配誤差,依然采用文獻[14]中的結(jié)構(gòu)就不太合適。采用本文中的改進結(jié)構(gòu),因為有90%的動態(tài)范圍,所以達到特定精度所需要的時間,只有30%動態(tài)范圍時的1/3[12]。

2.3 不匹配誤差的分析

(7)

對于u2來說,若Iptat的誤差所占的比例為5%,因為對于-55 ℃～125 ℃的溫度范圍,Ictat/Iptat的范圍大概是2～0.5,所以輸出u2的誤差范圍是3.3%～1.7%,溫度越高不匹配誤差越小。所以,若采用類似的電流鏡結(jié)構(gòu),改進結(jié)構(gòu)的不匹配誤差相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)至少能減小66%。推導(dǎo)過程和式(7)相似,如式(8)所示。

(8)

圖6 -55 ℃～125 ℃改進結(jié)構(gòu)的計數(shù)值

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果及分析

采用0.18 μm CMOS工藝,在-50 ℃～120 ℃的溫度范圍之內(nèi),以10 ℃的溫度間隔,得到的SPICE仿真結(jié)果如圖6所示?？v軸是ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果,轉(zhuǎn)換時間為50 ms,橫軸是仿真時所設(shè)置的環(huán)境溫度。

圖6中的點劃線表示2×Dout0-Dout1,也就是基于運行模式切換的改進結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果,動態(tài)范圍能達到90%左右。圖中的Dout0相當于Pertijs的改進結(jié)構(gòu),只有大約30%的動態(tài)范圍。

圖7是改進結(jié)構(gòu)的仿真溫度誤差圖,其中的虛線表示改進結(jié)構(gòu)的溫度測量誤差,實線相當于Pertijs的改進結(jié)構(gòu)的溫度誤差。對比兩者后可見,在相同的測量時間內(nèi),提高動態(tài)范圍,可以顯著減小溫度測量誤差。

圖7 溫度誤差

對于不匹配誤差的仿真,選取了4個溫度點,得到每個溫度點的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果,轉(zhuǎn)換時間為20 ms。表1是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及基于運行模式切換的改進結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。其中的最大值和最小值分別是每個溫度點蒙特卡羅仿真結(jié)果中ADC輸出的最大和最小值,波動幅度則是最大最小值的差。

相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),改進結(jié)構(gòu)的波動幅度以及標準差都有較大幅度的減小,和上一節(jié)中不匹配誤差的理論分析結(jié)果相符。

表1 蒙特卡羅仿真結(jié)果

圖8 -10 ℃～100 ℃改進結(jié)構(gòu)的計數(shù)值

3.2 實測結(jié)果

封裝后的芯片,在-10 ℃～100 ℃的溫度范圍內(nèi),每20 ℃測量一次溫度,分別得到了改進結(jié)構(gòu)兩種運行模式下的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果,經(jīng)過后續(xù)計算后得到如圖8所示的結(jié)果,和圖6類似,也分別標出了20 ℃和60 ℃時的計數(shù)值。在實測溫度范圍內(nèi)能滿足90%的動態(tài)范圍,其中存在的波動主要來自于測量時溫度控制的誤差。圖9分別是所使用的CASCADE測試臺以及ETC-200L溫控單元的照片。

圖10是芯片的顯微照片,圖中黑色部分是由于加了金屬dummy造成的。設(shè)計時考慮到可能會利用探針卡進行測試,所以將PAD線性排列。圖10右邊部分包含了模擬以及數(shù)字部分的電路,左邊部分只有模擬電路,是為了將內(nèi)部信號引出,便于觀察模擬電路的實際運行情況。

圖9 CASCADE測試臺和ETC-200L溫度控制單元

圖10 芯片顯微照片

4 結(jié)論

工藝節(jié)點的快速推進,一方面帶來了電路密度增加,進而造成了芯片溫度的不均勻分布。因此,對芯片溫度的監(jiān)控就變得非常重要。另一方面,工藝進步使得不匹配誤差變得越來越嚴重,這給溫度傳感器的設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。本文的新結(jié)構(gòu)為先進工藝下智能溫度傳感器的設(shè)計提供了新的思路。

傳統(tǒng)溫度傳感器由于采用了比例電流鏡,因此存在一定的不匹配誤差。Pertijs的結(jié)構(gòu)可以改善不匹配誤差,但是輸出的動態(tài)范圍只有大約30%左右。本文通過兩種運行模式的切換,在保證較高動態(tài)范圍的基礎(chǔ)上,能夠減小不匹配誤差。通過理論分析得出,改進結(jié)構(gòu)的不匹配誤差相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)至少能減小66%。仿真結(jié)果表明在-50 ℃～120 ℃的溫度范圍內(nèi),輸出的動態(tài)范圍可以達到90%左右。芯片實測結(jié)果在-10 ℃～100 ℃的溫度范圍內(nèi),證實了這一結(jié)論。

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A Low Mismatch Error and High Dynamic Range CMOS Smart Temperature Sensor Based on Operational Modes Switching*

SHANWentao,ZHANGPeiyong*,FENGChenhui

(Institute of VLSI Design,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

A new circuit structure which can switch between two operational modes is proposed to reduce the mismatch errors of CMOS smart temperature sensors and ensure a high dynamic range of the output.The new structure can reduce more than 66% of the mismatch error in contrast to traditional circuit by theoretical analysis.The simulation between -55 ℃ and 125 ℃ based on 0.18 μm process shows that a dynamic range of about 90% which is larger than the output of Pertijs’ structure can be acquired using this new structure.This conclusion is verified by chip testing result between -10 ℃ and 100 ℃。

temperature sensor;mismatch error;dynamic range;CMOS process

單文燾(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為智能溫度傳感器設(shè)計,工藝監(jiān)測電路設(shè)計;

張培勇(1977-),男,博士,副教授,論文通訊作者,主要研究方向為IC CAD以及DFM,zhangpy@vlsi.zju.edu.cn。

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(61204111,61474098)

2014-08-01 修改日期:2014-11-10

C:7230;7320R

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.025

TP212.1

A

1004-1699(2015)01-0142-06