陽佳麗，趙 新，高 博，張 析，龔 敏

（四川大學(xué)物理學(xué)院，成都 610065）

1 引言

溫度與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，因此用于溫度檢測的溫度傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，如對芯片溫度進(jìn)行監(jiān)測［1］、環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測等。溫度傳感器主要分為分立式和集成式兩類，其中集成溫度傳感器具有體積小、成本低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各種片上系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中。

集成溫度傳感器通常使用雙極型晶體管（BJT）［2］、金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）［3］、電阻［4］作為感溫元件。MOSFET 易受非線性和工藝偏差的影響，電阻具有較大非線性，以二者做感溫元件的溫度傳感器通常需要多點校準(zhǔn)來提高輸出電壓的精度［5］。BJT 有較好的溫度特性，以其做感溫元件的溫度傳感器大多只需要單點校準(zhǔn)就可提高輸出電壓的精度。因此，業(yè)界通常使用BJT 作為溫度傳感器的感溫元件。

文獻(xiàn)［6-8］均采用BJT 作為感溫元件，以不同的方式獲得溫度傳感電壓。文獻(xiàn)［6］通過運算放大器將BJT基極與發(fā)射極電壓的差值ΔVBE放大，獲得溫度傳感電壓，但溫度系數(shù)較小。文獻(xiàn)［7］采用電流增益補(bǔ)償技術(shù)、動態(tài)元件匹配（DEM）技術(shù)和斬波穩(wěn)定技術(shù)來減小誤差，并通過帶有R-2R 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的非反相放大器的增益級獲得合適的輸出電壓，增益級電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)［8］在0～40 ℃范圍內(nèi)，利用與絕對溫度成正比的電流（IPTAT）和與絕對溫度成反比的電流（ICTAT）之差來產(chǎn)生一個高斜率的溫度傳感電壓，電路結(jié)構(gòu)簡單且功耗較低。

為了在－55～125 ℃范圍內(nèi)實現(xiàn)一個輸出電壓精度較高、溫度系數(shù)較大且電路結(jié)構(gòu)簡單的溫度傳感器，本文采用BJT 作為感溫元件，通過溫度系數(shù)互補(bǔ)的IPTAT和ICTAT電流相減的方式來獲得一個高斜率的電壓，并通過電流增益補(bǔ)償技術(shù)和斬波穩(wěn)定技術(shù)來提高溫度傳感電壓的精度。

2 基本原理

2.1 高斜率Isub 產(chǎn)生原理

高斜率Isub產(chǎn)生原理如圖1 所示，將兩個與溫度特性互補(bǔ)的電流即IPTAT和ICTAT相減，即可產(chǎn)生一個斜率較大的輸出電流Isub。為獲得合適的輸出電流，需要合理調(diào)節(jié)IPTAT和ICTAT的大小。電流的大小需根據(jù)電路工作溫度范圍以及設(shè)定的器件工作條件而定。為獲得較好的輸出結(jié)果，當(dāng)溫度傳感器工作在最低溫度時，合理調(diào)節(jié)IPTAT和ICTAT的大小，使二者相差較小，并通過改變電流的放大倍數(shù)以獲得較大的電流斜率，放大倍數(shù)的上限需根據(jù)器件的工作條件來確定。

2.2 電流增益補(bǔ)償技術(shù)

BJT 的有限電流增益β 會隨著工藝變化而發(fā)生相應(yīng)變化，β 的變化和對溫度的依賴性會影響VBE的精度，從而導(dǎo)致溫度傳感電壓的誤差。

為減小有限電流增益帶來的誤差，文獻(xiàn)［9］采用電流增益等效增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行改善，文獻(xiàn)［10］采用電流增益補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在納米級工藝中，有限電流增益顯著降低，電流增益等效增強(qiáng)技術(shù)補(bǔ)償效果不明顯?？紤]工藝的普適性，本研究選擇電流增益補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行改善。具體實現(xiàn)方式如圖2 所示，在Q2的基極串聯(lián)一個補(bǔ)償電阻Rb，其中Rb=1/p×R1，p 為電流偏置的比例?？紤]有限電流增益β 后，則

其中，q 為電子電荷量，k 為玻爾茲曼常數(shù)，T 是絕對溫度，IS為三極管飽和電流，Ibias為三極管的集電極電流。流過Q2的集電極電流為

圖1 高斜率Isub 產(chǎn)生原理

將式（2）代入式（1）可得

式（3）中得到近似于與β 無關(guān)的VBE，因此通過電流增益補(bǔ)償技術(shù)可以補(bǔ)償有限電流增益帶來的誤差。

圖2 電流增益補(bǔ)償技術(shù)

3 電路實現(xiàn)

溫度傳感器電路具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其由3 部分組成，分別為IPTAT產(chǎn)生電路、ICTAT產(chǎn)生電路以及高斜率Isub產(chǎn)生電路，其中啟動電路和偏置電路未示出。

圖3 溫度傳感器電路結(jié)構(gòu)

IPTAT產(chǎn)生電路由運算放大器A1、電阻R1、補(bǔ)償電阻Rb、雙極晶體管Q1、Q2及電流鏡MP1、MP2組成。運算放大器A1起鉗位作用，使運放兩輸入端A、B點電位相同，可以得到

則產(chǎn)生的IPTAT為

其中，ΔVBE=k×T/q×ln n，n 為雙極晶體管Q1、Q2的個數(shù)之比。由式（5）可知，可通過調(diào)節(jié)電阻R1來改變IPTAT的大小。

產(chǎn)生的IPTAT通過電流鏡MP3、MP31鏡像到MP3支路，流入Q3的集電極。運算放大器A2鉗位使C、D 兩點電位相同，并通過MOS 管MN1和電阻R2將VBE3轉(zhuǎn)換成ICTAT。由于補(bǔ)償電阻Rb補(bǔ)償了有限電流增益β 的影響，則產(chǎn)生的ICTAT大小為

可以通過調(diào)節(jié)R2改變ICTAT的大小。

產(chǎn)生的IPTAT和ICTAT由電流鏡按照一定比例復(fù)制到MP4支路，MP4支路中的PMOS 管流經(jīng)IPTAT，NMOS管流過ICTAT，IPTAT和ICTAT的差值流入MN4支路，得到（IPTAT－ICTAT）電流。為獲得較高斜率的Isub，將（IPTAT－ICTAT）通過兩組電流鏡按照一定的比例“復(fù)制”到輸出支路MP8，得到輸出電流IOUT，并通過電阻R3將IOUT轉(zhuǎn)換為電壓，得到輸出電壓VOUT，即溫度傳感電壓。

其中y、h、m 是電流鏡組的復(fù)制比例，為常數(shù)值。通過調(diào)節(jié)y、h、m 值改變電流的斜率，以獲得合適的IOUT，再通過改變R3的值獲得合理的VOUT。

根據(jù)設(shè)計需求調(diào)節(jié)R1和R2的值，使工作在最低溫度時（IPTAT－ICTAT）的值較小，再調(diào)節(jié)電流鏡的比例以獲得一個高斜率的IOUT，最后由R3的值確定合理的VOUT?？傊?，根據(jù)不同的工作要求，調(diào)節(jié)R1、R2和R3的值及電流鏡組的比例，可獲得合理的IOUT和VOUT。本設(shè)計中電阻采用相同結(jié)構(gòu)，其中電阻R1、R2、R3的值分別為120 kΩ、134 kΩ、53 kΩ。

電路中的電流鏡采用柵結(jié)構(gòu)，可提高電路的電源抑制比（PSRR）和電路的線性度，同時通過合理設(shè)置電流鏡的尺寸，減小電流鏡管之間的不匹配。運算放大器A1和A2的失調(diào)電壓Vos會直接疊加在ΔVBE和VBE上，影響電路的輸出精度，因此采取斬波穩(wěn)定技術(shù)來消除運放的失調(diào)電壓Vos和低頻1/f 噪聲，從而進(jìn)一步提升ICTAT和IPTAT的精度［11］。運放A1和A2采用相同的電路結(jié)構(gòu)，運算放大器電路如圖4 所示。

圖4 運算放大器電路

4 仿真結(jié)果

本文設(shè)計的溫度傳感器電路采用0.18 μm HVCMOS 工藝，工作電壓為3.3 V，溫度范圍為－55～125 ℃，誤差范圍為-0.8～0.8 ℃。電路仿真時對多個工藝角進(jìn)行分析，驗證電路工作的穩(wěn)定性。在不同工藝角下，對電路產(chǎn)生的IPTAT、ICTAT、二者的差值（IPTATICTAT）以及輸出電流IOUT進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果如圖5 所示。當(dāng)電路工作在最低溫度時，IPTAT和ICTAT的差值較小，為0.7 μA，且二者差值的斜率較小，通過改變電流鏡的比例，最終獲得了一個滿足本設(shè)計要求的輸出電流IOUT，其最大為31.2 μA，最小為2.8 μA。由圖5可知，產(chǎn)生的電流都具有較好的線性特性，在不同工藝角下的相同電流具有相似的斜率。

圖5 不同工藝角下IPTAT、ICTAT、二者的差值（IPTAT－ICTAT）以及IOUT

溫度傳感器輸出電壓VOUT的結(jié)果如圖6 所示。圖6（a）中，由于工藝角不同，輸出電壓存在輕微的偏差，在TT 工藝角下的溫度系數(shù)為11.2805 mV/℃，在SS工藝角下的溫度系數(shù)為11.1469 mV/℃，在FF 工藝角下的溫度系數(shù)為11.3781 mV/℃。圖6（b）為溫度傳感器輸出電壓的誤差精度，在不同工藝角下，輸出電壓的誤差精度略微不同，但均在-0.8～0.8 ℃范圍內(nèi)。

圖6 溫度傳感器輸出電壓及誤差精度

表1 為本設(shè)計與文獻(xiàn)中的溫度傳感器的對比，從表中可知，本文設(shè)計的溫度傳感器的溫度工作范圍為－55～125 ℃，在寬溫度范圍內(nèi)，輸出電壓溫度系數(shù)較大，在不額外添加校準(zhǔn)電路的情況下，仍然可以保證輸出電壓的誤差精度。

可以根據(jù)不同工作溫度范圍和精度，合理設(shè)計相應(yīng)的參數(shù)以獲得合理的輸出電壓。若要獲得更大的溫度系數(shù)可以對電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)電阻R1和R2改變最小電流之差，增大電流鏡比例獲得更大的電流斜率，調(diào)節(jié)電阻R3改變輸出電壓范圍。

表1 本設(shè)計與文獻(xiàn)中的溫度傳感器的對比

5 結(jié)論

采用0.18 μm HVCMOS 工藝設(shè)計了一款基于BJT 的溫度傳感器電路，本設(shè)計通過兩個溫度特性互補(bǔ)的IPTAT和ICTAT的差值來產(chǎn)生斜率較大的IOUT，再將電流轉(zhuǎn)換為電壓，最后獲得一個溫度系數(shù)較大的輸出電壓。為提高輸出電壓的精度，采用電流增益補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償BJT 的有限電流增益的影響，采用斬波穩(wěn)定技術(shù)減小運放失調(diào)電壓的影響。設(shè)計結(jié)果表明，在－55～125 ℃范圍內(nèi)，溫度傳感器輸出電壓溫度系數(shù)為11.2 mV/℃，未校準(zhǔn)時誤差范圍為-0.8～0.8 ℃。該溫度傳感器在較大的溫度范圍內(nèi)具有較大的溫度系數(shù)，電路結(jié)構(gòu)較為簡單，并且可在不改變電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)不同的工作溫度范圍及設(shè)定的工作條件合理調(diào)節(jié)電阻值及電流鏡比例。