專利名稱：一種非線性校正的cmos集成溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種溫度傳感器，尤其是涉及一種非線性校正的CMOS集成溫度傳感器。
背景技術(shù)：
CMOS集成溫度傳感器的非線性問題在很大程度上影響了傳感器的測(cè)溫精度。針對(duì)這個(gè)問題，可以借助于外部的單片機(jī)系統(tǒng)，由軟件查表等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和修正，但是這種方法(闞保強(qiáng)，張安堂，王建業(yè)，等，傳感器信號(hào)非線性的軟件補(bǔ)償，空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，2)無(wú)法對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理。另一種方法(Meijer，G.C.M.，GuijieWang，F(xiàn)ruett，F(xiàn)..Temperature sensors and voltage references implemented in CMOS technology.SensorsJournal，IEEE，2001，1(3)225-234.)是在電路上直接集成了線性化處理校正電路，但是這種電路往往要占用較大的芯片面積和消耗一定的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)已有的CMOS集成溫度傳感器通過非線性校正技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫，存在實(shí)時(shí)測(cè)溫困難或占用芯片面積大和功能消耗大等問題，提供一種不增加額外芯片面積，沒有額外功耗的一種非線性校正的CMOS集成溫度傳感器。
本實(shí)用新型設(shè)有溫度傳感電路，用于產(chǎn)生高精度溫度傳感信號(hào)，溫度傳感電路設(shè)有電源輸入端口、地電位輸入端口和溫度傳感輸出端口；啟動(dòng)電路，用于驅(qū)使電路在電源上電時(shí)能擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，啟動(dòng)電路的輸出端接溫度傳感電路的鏡像電流源結(jié)構(gòu)的柵極控制端；輸入輸出靜電放電(ESD)保護(hù)電路，用于傳感器的電源輸入端口、地電位輸入端口和溫度傳感輸出端口的靜電過壓保護(hù)，輸入輸出靜電放電保護(hù)電路由2個(gè)二極管串接組成，第1個(gè)二極管的負(fù)極接溫度傳感電路的電源輸入端口，第2個(gè)二極管的正極接溫度傳感電路的地電位輸入端口，第1個(gè)二極管的正極與第2個(gè)二極管的負(fù)極的連接點(diǎn)接溫度傳感電路的溫度傳感輸出端口。
在輸入輸出靜電放電(ESD)保護(hù)電路中，所述的2個(gè)二極管可采用PMOS管和NMOS管，PMOS管和NMOS管柵極與源極互接。
在溫度傳感電路中設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單而有效的非線性校正電路，提高了所設(shè)計(jì)的傳感器的溫度傳感精度。啟動(dòng)電路的作用是驅(qū)使電路在電源上電時(shí)能工作在正常的工作狀態(tài)。因?yàn)楫?dāng)電源上電時(shí)，該溫度傳感電路存在兩種可能的工作狀態(tài)一種是正常的工作狀態(tài)；一種則是所有的晶體管均傳輸零電流，它們無(wú)限期地保持關(guān)斷，啟動(dòng)電路部分可使得電路擺脫第二種工作狀態(tài)。ESD保護(hù)電路主要是在輸入輸出通道上采用過壓保護(hù)電路，以避免芯片與外部接口的靜電放電問題毀壞芯片上的器件。


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖，在圖1中，VCC為電源輸入端，Vout為輸出端，GND為接地端。
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的溫度傳感電路組成原理圖。
圖3為圖2中的運(yùn)放器A1電路原理圖。
圖4為圖2中的運(yùn)放器A2電路原理圖。
圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的啟動(dòng)電路組成原理圖。
圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的ESD保護(hù)電路組成原理圖。
圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例的曲率校正前后的溫度誤差曲線比較圖。在圖7中，橫坐標(biāo)為溫度Temperature(℃)，縱坐標(biāo)為溫度誤差Error(℃)。
圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的-50～+150℃溫度范圍內(nèi)測(cè)量到的輸出信號(hào)的溫度關(guān)系曲線圖。在圖8中，橫坐標(biāo)為溫度Temperature(℃)，縱坐標(biāo)為輸出電壓Output voitage(V)。
圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例的-30～+120℃溫度范圍內(nèi)的溫度誤差曲線圖。在圖9中，橫坐標(biāo)為溫度Temperature(℃)，縱坐標(biāo)為溫度誤差Error(℃)。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的內(nèi)容及其突出效果作進(jìn)一步的說(shuō)明。
參見圖1，本實(shí)用新型由溫度傳感電路、啟動(dòng)電路和輸入輸出靜電放電保護(hù)電路組成。
參見圖2，溫度傳感電路由正比于絕對(duì)溫度(PTAT)信號(hào)產(chǎn)生模塊、反比于溫度的信號(hào)產(chǎn)生模塊和溫度傳感電壓信號(hào)產(chǎn)生模塊構(gòu)成，并且設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單而有效的非線性校正電路，提高了所設(shè)計(jì)的傳感器的溫度傳感精度。
在正比于絕對(duì)溫度信號(hào)產(chǎn)生模塊中，兩個(gè)雙極晶體管Q1和Q2的發(fā)射極面積成一定比例，當(dāng)工作在相等的電流密度下，它們的基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對(duì)溫度成正比；PMOS管M1和M2構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，使得流經(jīng)Q1和Q2管的集電極電流相等；運(yùn)放器A1以n1和n2為輸入，驅(qū)動(dòng)M1和M2管的柵極，使得n1和n2點(diǎn)穩(wěn)定在近似相等的電壓；于是電阻RN1兩端的電壓近似為Q1和Q2晶體管的基極-發(fā)射極電壓的差值(絕對(duì)溫度成正比)，并且該電壓差值通過RN1轉(zhuǎn)換為與絕對(duì)溫度成正比的電流IPTAT。
在反比于溫度的信號(hào)產(chǎn)生模塊中，晶體管Q3的基極-發(fā)射極電壓是一個(gè)反比于溫度的電壓信號(hào)，運(yùn)放器A2使得n3和n4點(diǎn)穩(wěn)定在近似相等的電壓，于是n4點(diǎn)的電位也是一個(gè)反比于溫度的電壓，再通過電阻RN2和RH3轉(zhuǎn)換為反比于溫度的電流IBE3。
在溫度傳感電壓信號(hào)產(chǎn)生模塊中，PMOS管M8與M3、NPOS管M9與M10、PMOS管M7與M6分別構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，于是流經(jīng)PMOS管M7的是反比于溫度的電流信號(hào)IBE，流經(jīng)NPOS管M10的是IPTAT的比例信號(hào)A·IPTAT，其中A為電流鏡結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)。在n5節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了IBE和A·IPTAT兩個(gè)電流信號(hào)的互減，得到一個(gè)具有更好溫度靈敏度的溫度信號(hào)ITEMP。而PMOS管M11、M12、M13和M14構(gòu)成共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)，用來(lái)復(fù)制ITEMP電流，電阻RN4和RH5把復(fù)制的ITEMP電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，此時(shí)輸出電壓信號(hào)Vout是一個(gè)具有更好溫度靈敏度的溫度信號(hào)，同時(shí)還可以在目標(biāo)測(cè)溫范圍的初始值處把輸出信號(hào)設(shè)計(jì)為零，而不是一定要在0K溫度時(shí)。
在溫度傳感電路中采用非線性校正電路，在圖2中，電阻RN1、RN2、RN4是由CMOS工藝中的N型摻雜電阻實(shí)現(xiàn)，電阻RH3、RH5是由CMOS工藝中的高阻型多晶硅電阻實(shí)現(xiàn)。高阻型多晶硅電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，而摻雜型電阻具有正溫度系數(shù)，這兩種不同材料的電阻的比值經(jīng)過級(jí)數(shù)展開可以得到高次溫度相關(guān)項(xiàng)。那么在溫度傳感電路中就是在原有電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上選擇不同的材料的電阻組合，并適當(dāng)調(diào)整各個(gè)電阻的大小，產(chǎn)生高次溫度相關(guān)項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度輸出信號(hào)Vout的非線性校正。通過這種簡(jiǎn)單而有效的校正設(shè)計(jì)方法，該傳感器克服了電阻溫度系數(shù)和PN結(jié)電壓高次非線性項(xiàng)等因素影響所造成的輸出信號(hào)非線性問題，獲得了很好的測(cè)溫精度。
在圖2中，運(yùn)放器A1主要用于鉗制n1節(jié)點(diǎn)電位與n2節(jié)點(diǎn)電位相等；實(shí)現(xiàn)這個(gè)放大器的主要電路限制是低電源電壓情況下的DC工作點(diǎn)設(shè)置。由于這個(gè)原因選擇了二級(jí)放大器結(jié)構(gòu)，它是采用兩個(gè)PMOS晶體管作為差分輸入，一個(gè)NMOS晶體管作為第二級(jí)輸出，結(jié)構(gòu)如圖3中的實(shí)線電路所示。另外，為提高放大器在深反饋條件下的工作穩(wěn)定性，在一級(jí)放大和二級(jí)放大之間加入補(bǔ)償電容C2，否則會(huì)容易造成啟動(dòng)過程的自激振蕩。
運(yùn)放器A2采用與運(yùn)放器A1類似的結(jié)構(gòu)，參見圖4。
參見圖5，啟動(dòng)電路用于驅(qū)使電路在電源上電時(shí)能擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，啟動(dòng)電路的輸出端接溫度傳感電路的PMOS管M1和M2的柵極，其工作原理是當(dāng)Vdd接通瞬間，NMOS管M17開始導(dǎo)通，于是n6節(jié)點(diǎn)的電位被拉低并使得PMOS管M16導(dǎo)通；由于M16的導(dǎo)通，電容C1開始充電，于是n7節(jié)點(diǎn)電位逐漸變小，并驅(qū)動(dòng)溫度傳感電路部分中的PMOS管M1、M2等開始導(dǎo)通，各支路注入電流，并逐漸達(dá)到正常工作點(diǎn)。通過設(shè)置正確的晶體管寬長(zhǎng)比，在啟動(dòng)結(jié)束后n7節(jié)點(diǎn)的電位就不再由啟動(dòng)電路決定，而是由主電路部分的工作點(diǎn)決定。
溫度傳感電路中各元器件的參數(shù)屬性如表1所示。
表1

本實(shí)用新型設(shè)有3個(gè)與外界接觸的端口，分別為電源輸入端口、地電位輸入端口和溫度傳感輸出端口。參見圖6，ESD保護(hù)電路為傳感器的各個(gè)端口提供靜電過壓保護(hù)，當(dāng)A點(diǎn)電壓低于0V時(shí)，且滿足VA≤-VTHN(VTHN為NMOS管閾值電壓)，NPOS管MN1導(dǎo)通，則將A點(diǎn)處電位拉高至接近于地電位。當(dāng)A點(diǎn)電壓大于VDD時(shí)，且高到(VDD-VA)≤VTHP(VTHP為PMOS管閾值電壓)時(shí)，PMOS管MP1導(dǎo)通，則將A點(diǎn)電位拉低至接近于VDD?？梢钥吹皆摫Ｗo(hù)電路對(duì)A點(diǎn)電位起到過壓保護(hù)作用。
在溫度傳感電路中采用非線性校正技術(shù)以產(chǎn)生高精度的溫度傳感信號(hào)，在圖2中，雙極型晶體管Q1的發(fā)射區(qū)面積是Q2管的N倍，M1和M2管使得Q1和Q2的集電極電流相等，差分運(yùn)放器A1鉗制n1和n2節(jié)點(diǎn)的電壓相等，于是流經(jīng)RN1的電流IRN1是一個(gè)正比于絕對(duì)溫度的電流信號(hào)，可表示為
IRN1=kTqRN1ln(N)---(1)]]>Q3的基極-發(fā)射極電壓通過電阻RN2和RH3轉(zhuǎn)換為電流IBE3，其中利用了放大器A2和NMOS管M5構(gòu)成的反饋結(jié)構(gòu)使得n3、n4兩結(jié)點(diǎn)的電壓相等。NMOS管M10的漏極電流IPTAT減去PMOS管M7的漏極電流IBE得到溫度電流信號(hào)ITEMPITEMP=IPTAT-IBE=1RN1kTqln(n)-VBERN2+RH3---(2)]]>最后的溫度傳感信號(hào)Vout表達(dá)為Vout=ITEMP(RN4+RH5)=RN4RN1ln(N)kTq+RH5RN1ln(N)kTq-RN4+RH5RN2+RH3VBE---(3)]]>在式(3)中，電阻比RN4/RN1可以近似看為與溫度無(wú)關(guān)，因?yàn)檫@兩個(gè)電阻都是N型摻雜電阻，具有相同的電阻溫度系數(shù)。RH5/RN1卻是溫度相關(guān)的，因?yàn)樗鼈兪遣煌牧现瞥?，溫度系?shù)是不一樣的。另外，設(shè)計(jì)使得RN4＝RN2和RH5＝RH3，所以第3項(xiàng)中的VBE的系數(shù)一直保持為1。RH5/RN1的比值通過級(jí)數(shù)展開可以近似表達(dá)為RH5(T)RN1(T)=RH5(Tr)·[1-KHpolyR(T-Tr)]RN1(Tr)·[1+KNdiffR(T-Tr)]]]>≈RH5(Tr)RN1(Tr)·[1-KHpolyR(T-Tr)]·[1-KNdiffR(T-Tr)+K2NdiffR(T-Tr)2]]]>=RH5(Tr)RN1(Tr)·[1-(KHpolyR+KNdiffR)·(T-Tr)+(K2NdiffR+KHpolyR·KNdiffR)·(T-Tr)2·]]>-KHpolyR·K2NdiffR(T-Tr)3]---(4)]]>其中KNdiffR和KHpolyR分別是N摻雜電阻和高阻多晶硅的一階溫度系數(shù)，Tr是參考溫度。在中低溫范圍內(nèi)KNdiffR(T-Tr)＜＜1，式(4)的二次、三次項(xiàng)可以忽略，但是如果考慮更寬的溫度范圍或者N摻雜電阻的溫度系數(shù)更大時(shí)，高次項(xiàng)的影響也是需要考慮的。把忽略高次項(xiàng)的式(4)帶入式(3)，最后的溫度電壓輸出可近似表達(dá)為Vt=[RN4RN1+RH5(Tr)RN1(Tr)·ln(N)]·kTq-[VBE+RH5(Tr)RN1(Tr)·ln(N)·(KHpolyR+KNdiffR)·kTq·(T-Tr)]---(5)]]>式(5)可簡(jiǎn)寫為Vt＝b1T-(VBE+b2T2)，其中的b2T2項(xiàng)就是二次溫度非線性補(bǔ)償項(xiàng)?？梢酝ㄟ^優(yōu)化調(diào)整RH5(Tr)/RN1(Tr)的比值大小實(shí)現(xiàn)曲率的校正，還可以通過調(diào)整RN4/RN1比值獲得目標(biāo)的零電壓輸出溫度。
為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)傳感器的有效性，我們進(jìn)行了HSPICE仿真分析，仿真的器件模型采用上華0.6μm CMOS工藝的模型。圖7是-50～+150℃溫度范圍內(nèi)的CMOS溫度傳感器電路曲率校正前后的溫度誤差曲線的比較。校正前的最大溫度誤差約為1℃，而校正后的最大溫度誤差約為0.5℃，相對(duì)于未校正系統(tǒng)誤差下降了0.5℃。從圖7可知，校正后在-50～+135℃范圍內(nèi)的誤差僅在±0.1℃以內(nèi)，達(dá)到較好的修正結(jié)果。在高溫處(135～150℃)校正后誤差有明顯增大的趨勢(shì)，經(jīng)分析這是由于溫度過高時(shí)，式(4)中高次非線性項(xiàng)的影響變得不可忽略，對(duì)輸出產(chǎn)生了影響。
經(jīng)測(cè)試該傳感芯片可以工作在3.0～5.0V的工作電壓范圍內(nèi)，測(cè)溫范圍為-50～+150℃。圖8是在-50～+150℃溫度范圍內(nèi)測(cè)量到的溫度傳感信號(hào)與溫度之間的關(guān)系曲線，溫度靈敏度約為3.15mV/℃。溫度誤差在-30～+120℃溫度范圍內(nèi)小于±1.3℃，-10～+80℃溫度范圍內(nèi)小于±0.8℃，0～+50℃溫度范圍內(nèi)小于±0.3℃。圖9是-30～+120℃溫度范圍內(nèi)的該CMOS溫度傳感器電路的溫度誤差曲線。
綜上所述，本實(shí)用新型利用了高阻型多晶硅電阻和摻雜型電阻這兩種不同材料電阻的比值經(jīng)過級(jí)數(shù)展開所得到的高階次溫度相關(guān)項(xiàng)來(lái)校正輸出的非線性溫度傳感信號(hào)。采用這種校正技術(shù)的傳感器區(qū)別于其它傳感器的優(yōu)點(diǎn)是，在未增加元器件數(shù)目、芯片面積和功耗的條件下，完全利用原有的傳感電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和CMOS工藝中的高阻型多晶硅電阻的負(fù)溫度系數(shù)和摻雜型電阻的正溫度系數(shù)的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)的非線性校正，大大提高了傳感器的測(cè)溫精度。而相對(duì)于其它的軟硬件校正技術(shù)，該傳感器所采用的校正技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易，校正效果好，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)溫，并與CMOS工藝兼容，未增加額外芯片面積和功耗。
權(quán)利要求1.一種非線性校正的CMOS集成溫度傳感器，其特征在于設(shè)有溫度傳感電路，用于產(chǎn)生高精度溫度傳感信號(hào)，溫度傳感電路設(shè)有電源輸入端口、地電位輸入端口和溫度傳感輸出端口；啟動(dòng)電路，用于驅(qū)使電路在電源上電時(shí)能擺脫簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)，啟動(dòng)電路的輸出端接溫度傳感電路的鏡像電流源結(jié)構(gòu)的柵極控制端；輸入輸出靜電放電保護(hù)電路，用于傳感器的電源輸入端口、地電位輸入端口和溫度傳感輸出端口的靜電過壓保護(hù)，輸入輸出靜電放電保護(hù)電路由2個(gè)二極管串接組成，第1個(gè)二極管的負(fù)極接溫度傳感電路的電源輸入端口，第2個(gè)二極管的正極接溫度傳感電路的地電位輸入端口，第1個(gè)二極管的正極與第2個(gè)二極管的負(fù)極的連接點(diǎn)接溫度傳感電路的溫度傳感輸出端口；
2.如權(quán)利要求1所述的一種非線性校正的CMOS集成溫度傳感器，其特征在于在輸入輸出靜電放電保護(hù)電路中，所述的2個(gè)二極管為PMOS管和NMOS管，PMOS管和NMOS管柵源互接。
專利摘要一種非線性校正的CMOS集成溫度傳感器，涉及一種溫度傳感器，尤其是涉及一種非線性校正的CMOS集成溫度傳感器。提供一種不增加額外芯片面積，沒有額外功耗的一種非線性校正的CMOS集成溫度傳感器。設(shè)有溫度傳感電路，溫度傳感電路設(shè)有電源輸入端口、地電位輸入端口和溫度傳感輸出端口；啟動(dòng)電路，啟動(dòng)電路的輸出端接溫度傳感電路的鏡像電流源結(jié)構(gòu)的柵極控制端；輸入輸出靜電放電保護(hù)電路，輸入輸出靜電放電保護(hù)電路由2個(gè)二極管串接組成，第1個(gè)二極管的負(fù)極接溫度傳感電路的電源輸入端口，第2個(gè)二極管的正極接溫度傳感電路的地電位輸入端口，第1個(gè)二極管的正極與第2個(gè)二極管的負(fù)極的連接點(diǎn)接溫度傳感電路的溫度傳感輸出端口。
文檔編號(hào)G01K7/00GK2856954SQ20052000661
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者林凡, 吳孫桃, 郭東輝 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)