一種具有±0.5℃精度的CMOS數字溫度傳感器

韋 鈺 ，羅 磊 ，唐俊龍 ，鄒望輝

（1.長沙理工大學物理與電子科學學院，湖南 長沙 410114；2.廣州金升陽科技有限公司，廣東 廣州 510663）

CMOS集成數字溫度傳感器具備造價低且體積微小、能直接輸出數字信號的優勢，廣泛應用于工業、醫療、交通和消費類電子等方面[1-4]。常見的CMOS集成溫度傳感器有幾種感溫機制，包括基于電壓域的[5]、基于頻率的[6]、基于相位的[7]、基于時域量化的[8]等。文獻[5]提出的溫度傳感器選擇用襯底PNP雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）作感溫器件，應用了幾種技術來處理電路中的非理想性，最終使電路精度達到±0.35℃。文獻[6]是關于一款CMOS超低功耗溫度傳感器芯片的文章，包含一個溫度-電流轉換器和一個頻率-數字轉換器。這種基于頻率的溫度傳感器面積非常小，僅為0.0014 mm2。文獻[7]提出的是一種基于電阻的CMOS溫度傳感器，電阻用于構建RC多相濾波器，讀取與溫度相關的相移并將其轉換為數字代碼，這種溫度傳感器比較容易進行工藝移植。文獻[8]提出的一種不帶電壓/電流模數轉換器或帶隙基準的基于時間-數字轉換器的CMOS智能溫度傳感器，無需任何曲率校正或動態偏移消除即可實現高線性度和精度。在文獻[9]中，溫度傳感器利用了MOSFET閾值電壓隨溫度變化的特性作為感溫原理，使用MOSFET作為感溫器件能有效地實現非常低的功耗。

在所有類型中，傳統的基于雙極結型晶體管的溫度傳感器仍然是最常見的，因為易于設計并具有良好的精度[10-13]。常規CMOS工藝中的雙極型晶體管一般分為橫向雙極型晶體管（Lateral BJT）和縱向雙極型晶體管（Vertical BJT），其中縱向雙極型晶體管也被稱為襯底雙極型晶體管，因為其集電極和襯底短接[14]。縱向雙極型晶體管的發射極電壓和集電極電壓與橫向雙極型晶體管比較而言，有更好的指數關系，因此CMOS溫度傳感器多采用縱向雙極型晶體管[15-16]。

該文首先討論雙極性晶體管的溫度特性，然后給出溫度傳感器的總體結構和基本電路設計，并對基本電路的誤差進行詳細的仿真分析，然后給出校準電路[17-18]，再通過仿真分析驗證校準電路的成果，最后得出結論。

1 雙極型晶體管的溫度特性

該文所設計CMOS溫度傳感器利用了縱向雙極型晶體管基極-發射極電壓VBE的溫度特性，依照雙極型晶體管的經典理論，基極-發射極電壓VBE和集電極電流IC的關系表示為：

其中，q代表電子電荷量，k為Boltzmann常數，IS是飽和電流，T是絕對溫度。假設IC保持不變，VBE對T求導可得：

其中VT=kT/q。根據文獻[19]，IS與溫度T可以推導出如下關系：

其中，b是一個比例系數，m≈-3/2，Eg≈1.12 eV為硅帶隙能量。結合式（2）和式（3）可得：

當VBE≈ 750 mV，T=300 K時，可算得 ?VBE/?T≈-1.5 mV/K，顯然VBE具有負溫度系數。同時式（4）也反映出VBE的實際溫度特性比較復雜，包含高階溫度特性。進一步分析可以表明，VBE在-40～120℃范圍內總體比較線性，同時存在一定程度的非線性[10]。

ΔVBE表示兩個BJT的VBE差值。假設兩個BJT都使用一樣的BJT單元（BJT Cell）并聯構成，且BJT單元的個數比為1∶n，那么兩個BJT的飽和電流比值相應為IS1∶IS2=1∶n。同時，假設兩個BJT的集電極電流比值為IC1∶IC2=m∶1，可以得到：

由式（5）很容易看出ΔVBE是一個具有正溫度系數的物理量，并且具有較好的線性度。ΔVBE的溫度系數為：

2 總體結構與基本電路設計

圖1展示了該文所設計CMOS數字溫度傳感器系統總體結構圖，包含正溫度系數電流產生電路、負溫度系數電流產生電路、一階連續時間Σ-Δ調制器、計數器和I2C總線接口等6個主要模塊。

圖1 系統結構圖

電阻R1用來得到正溫度系數電流Ipos，電阻R2用來產生負溫度系數電流Ineg。Ipos和Ineg同時輸入到一階連續時間Σ-Δ調制器，經過電流切換、電流積分和電壓比較，輸出1位數據流。數據流中“1”和“0”的比例與Ipos和Ineg的大小比例關聯，也就是與溫度關聯。當調制器輸出為“0”時，Ipos被積分；當為“1”時，Ineg被積分，因為流入積分器的電流平均為0可得：

其中，r=R2/R1，u表示輸出數據流中“1”所占的比例。由式（7）可得：

當r取合適的值時，分母VREF即為帶隙基準電壓，是和溫度無關的一個值，分子與溫度成正比，u與溫度成正比。

Σ-Δ調制器輸出的1位數據流經過計數器產生最終的溫度數據，通過I2C接口讀出。計數器有兩個重要參數：初始值和計數周期。初始值為計數開始時的起始值。計數開始后，調制器輸出為“1”時計數器加1，輸出為“0”時計數器保持原數。當達到設定的計數周期后，計數結束并輸出最終計數值，即為溫度數據，然后開始新一輪計數。初始值和計數周期可以按如下方式設定，根據式（5）可以設：

這里TC表示攝氏度溫度，a為溫度系數，把式（7）代入式（8）并整理得：

式（10）中，由-273確定計數器初始值，由VREF/ra確定計數周期。結合應用需求，該文中的計數器設定為13位，包含最高位符號位、9位整數和3位小數，分辨率為0.125℃。取最高位符號位、7位整數和3位小數組合形成11位溫度數據，由I2C接口進行讀取。

Ineg和Ipos產生電路可參考文獻[16]。圖2為一階連續時間Σ-Δ調制器，放大器OP1和電容C0組成積分器，OP2為電壓比較器，D觸發器輸出形成1位數據流Dout，然后Dout控制電流開關SW1與電流開關SW2的導通與閉合。該文的設計運用了0.35 μm CMOS工藝，使用5 V器件。

圖2 一階連續時間Σ-Δ調制器

3 基本電路的誤差分析

電路中存在多種非理想因素影響輸出精度，比如電流源或晶體管的失配、運放的失調電壓、器件參數漂移、VBE溫度特性的非線性等。有的非理想因素可以通過電路設計技術來消除其影響，比如斬波技術[16]（Chopping）常用于消除器件失配、失調電壓以及閃爍噪聲的影響。但器件參數漂移、VBE溫度特性的非線性等難以通過電路設計技術消除其影響，該文主要研究器件參數漂移對精度的影響。

CMOS工藝中的諸多參數，比如摻雜濃度、摻雜分布、氧化層厚度等都會在一定范圍內波動。器件參數在不一樣的批次之間、同批次不一樣的晶圓中間，甚至同一晶圓不同芯片之間都存在較大的差異。工藝廠都會提供器件的工藝角（Process Corner）參數，反映器件參數漂移的范圍。通常在前期設計電路的階段都要驗證電路在各種工藝角下是否能夠正常工作。該文所設計電路使用到了NMOS/PMOS晶體管、雙極型晶體管和多晶硅電阻，可以通過掃描工藝角和工藝角組合來分析溫度傳感器的精度。

因為BJT作為核心感溫器件，所以與溫度有關的VBE和ΔVBE這兩個值是與溫度傳感器精度相關的關鍵參數。由式（2）可以看出，只要BJT的面積比例以及偏置電流比例能夠準確保證，那么ΔVBE基本不受工藝漂移的影響，而在實際電路設計中，這兩點還是相對比較容易保證的，但VBE依舊隨工藝的漂移比較大。多晶硅電阻，雖然阻值漂移也比較大，但電路和版圖設計上可以保證電阻的比值比較準確，根據式（3），電阻的工藝漂移似乎對精度無影響。然而，電阻值漂移對精度的影響主要體現在VBE。從圖3（a）可以看到BJT的偏置電流Ibias由電阻產生，因此電阻值的漂移直接導致Ibias的漂移，進而導致VBE的變化。圖3（a）顯示了不同工藝角和工藝角組合下的最終輸出溫度數據的誤差。能夠看到，Typical工藝角下的誤差非常小，而BJT的工藝漂移造成的最大誤差為2℃/-2.5℃，電阻的工藝漂移造成的最大誤差為5.4℃/-2.5℃，在BJT和電阻的共同影響下，即最差的情況下，誤差可以達到7.5℃/-5℃。

圖3（b）顯示了NMOS/PMOS晶體管參數漂移的影響，圖3（c）是工作電壓降到2.7 V的情況。可以看出，MOS晶體管的參數漂移以及工作電壓的變化對精度的影響非常有限。在設計正確的前提下，VBE和ΔVBE基本不受影響，精度也就變化不大。

4 校準電路設計及分析

根據文獻[16]，在沒有校準的情況下精度為±3℃。但分析結果顯示，工藝偏差所導致的最大誤差達到7.5℃/-5℃，表明精度與所使用工藝的穩定性直接相關。因此，精度要達到±0.5℃必須使用校準。根據前面的分析，誤差的主要來源于VBE，所以在基本電路的基礎上要增加針對VBE的校準電路。

圖3 溫度數據讀出誤差

圖4所示的校準電路實際上就是一個VBE產生電路，使用多路選擇器選擇VBE1和VBE2之間的一個值。校準的原理比較簡單，就是選定一個VBE值使得最終輸出的溫度數據誤差最小。校準電路設計的關鍵有兩點：第一，VBE1和VBE2要足夠寬，覆蓋到工藝漂移的最極端情況，也就是要確定好I1和I2的比例，以及Q1和Q2的面積比例；第二，校正碼C3C2C1C0的位數，對應VBE的調整間隔，調整間隔要足夠小以確保精度可校準到±0.5℃以內。

根據仿真結果可以確定：I1/I2取2，Q1/Q2取4，校正碼取4位。校正碼的典型值為0110，實際上圖5所示都是在典型校正碼下的仿真結果。圖5（a）和圖5（b）給出了兩個極端工藝角組合情況下，逐步改變校準碼，溫度數據誤差的變化情況。從圖中可以看到，在BJT=fast，Res=slow組合下，校正碼調整到1110時得到最佳精度；在BJT=slow，Res=fast組合下，校正碼調整到0000時得到最佳精度。兩種組合下最后精度都調整到了±0.5℃之內。從圖5中也可以看到，誤差曲線顯示有一定的非線性，這來源于VBE溫度特性的非線性，可以看到其影響并不是很大。

圖4 VBE校準電路

圖5 不同校正碼對應的讀出溫度數據誤差

5 結束語

該文討論了高精度CMOS數字溫度傳感器的設計。基于0.35 μm CMOS工藝通過工藝角仿真可以看到，在沒有校準情況下，CMOS溫度傳感器在-40～120℃溫度范圍內的最大誤差可以達到7.5℃/-5℃，表明必須進行校準，以達到±0.5℃的設計精度。根據對誤差來源的分析，該文給出了VBE校準電路，以及相應的設計和校準方法。仿真結果表明，引入校準之后，溫度傳感器的精度達到設計要求。