電子技術(shù)在溫度傳感器中的應(yīng)用研究

吳繼鋒

(馬鞍山理工學(xué)校, 安徽馬鞍山, 243000)

1 COMS正反饋式溫度傳感器概述

本次所研究的COMS正反饋式溫度傳感器是應(yīng)用在半導(dǎo)體集成電路片上熱管理中的正反饋式新型溫度傳感器。具體設(shè)計(jì)中，將運(yùn)算放大器中的正反饋結(jié)構(gòu)設(shè)置在了PTAT電流轉(zhuǎn)化電路內(nèi)，使其和電阻相結(jié)合，這樣便可對半導(dǎo)體器件中的微弱溫度變化信號做進(jìn)一步的放大處理，使其輸出擺幅顯著增大，進(jìn)而達(dá)到足夠的靈敏度與測量精度[1]。這種溫度傳感器在嵌入式系統(tǒng)、儲存器以及非制冷形式的紅外探測器等內(nèi)部芯片溫度監(jiān)測中都十分適用。

2 溫度傳感器設(shè)計(jì)中的電子技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 在PTAT電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在本次所研究的COMS正反饋式溫度傳感器中，其溫度傳感器應(yīng)用的是PTAT型電流源結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的有效降低。在傳統(tǒng)形式的溫度傳感器中，PTAT結(jié)構(gòu)主要是在handgap這一結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上衍生而來，而其PTAT電流到溫度的轉(zhuǎn)化與相應(yīng)的電壓輸出僅僅通過簡單的電阻來實(shí)現(xiàn)，且電壓輸出范圍很小，測量精度不高。基于此，在本次設(shè)計(jì)中，為有效解決傳統(tǒng)溫度傳感器的設(shè)計(jì)弊端，特在電路中加設(shè)了運(yùn)算放大器正反饋結(jié)構(gòu)，使其和電阻之間進(jìn)行有效結(jié)合，這樣便可對器件中微弱的溫度信號變化進(jìn)行有效的放大處理，以此來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的顯著提升。下圖是PTAT溫度傳感器電路傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（左）和正反饋新型結(jié)構(gòu)示意圖（右）。

圖1 PTAT溫度傳感器電路傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（左）和正反饋新型結(jié)構(gòu)示意圖（右）

在PTAT溫度傳感器正反饋新型結(jié)構(gòu)中，Q1以及Q2應(yīng)用的是NPN晶體管，具體設(shè)計(jì)中，將Q1的發(fā)射極面積設(shè)計(jì)為Q2發(fā)射極面積的8倍，其他各項(xiàng)參數(shù)保持一致。然后通過正反饋的形式進(jìn)行連接，并對微弱的溫度變化信號進(jìn)行放大處理。

對于PTAT溫度傳感器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如果將其中的MOS管M1、M2以及M3的寬長比設(shè)計(jì)為1:2:3。改進(jìn)設(shè)計(jì)中，則需要按照以下的公式來進(jìn)行計(jì)算：

在以上公式中，有VT=kT/q；其中，VBE1代表M1電壓輸出值；VBE2代表M2電壓輸出值；VR3代表M3電壓輸出值；Is代表晶體管發(fā)射機(jī)中的反向飽和電流值；k代表的是波爾茲曼常數(shù)；q代表的是電子所具有的電荷量；T代表的是溫度絕對值；Vtenp代表瞬態(tài)電壓輸出值。同時(shí)也有：IS1=8IS2[2]。

在本次設(shè)計(jì)中，應(yīng)用的是虛短接法，其中有：

在該情況下，可以將公式（2）轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵滦问剑?/p>

可以將公式（3）轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵滦问剑?/p>

可以將公式（4）轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵滦问剑?/p>

將公式（6）（7）（8）聯(lián)立可得出 ：

通過公式（9）可知，在本次基于電子技術(shù)所設(shè)計(jì)的PTAT溫度傳感器正反饋新型結(jié)構(gòu)中，輸出電壓和溫度之間具有正比關(guān)系。因此，在通過該溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測的過程中，當(dāng)前的溫度變化情況可通過Vtemp來表示。

2.2 在運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在本次基于電子技術(shù)設(shè)計(jì)的PTAT溫度傳感器中，關(guān)于運(yùn)算放大器，其主要的要求包括兩個方面，第一，需要將失調(diào)電壓有效降低，讓運(yùn)算放大器的增益達(dá)到75dB以上；第二，為避免電源波動對于輸出電壓的過大影響，需要將電源抑制比控制在-75dB以下。基于此，在本次的溫度傳感器設(shè)計(jì)中，選擇了共源共柵折疊形式的運(yùn)算放大器，相比較傳統(tǒng)的套筒放大器而言，其共模輸入范圍更大，可在后續(xù)的偏執(zhí)電壓設(shè)置中提供足夠便利。下圖是本次基于電子技術(shù)設(shè)計(jì)的PTAT溫度傳感器運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 本次基于電子技術(shù)設(shè)計(jì)的PTAT溫度傳感器運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)示意圖

其中，M1-M5代表電流源；M6-M16代表偏置電路，其主要功能是對運(yùn)算放大器進(jìn)行偏置電壓的提供；M17-M27代表運(yùn)算放大器中的放大結(jié)構(gòu)；M18和M19代表PMOS中的差分輸入對。

具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)用的是UMC0.18μmCOMS工藝，在電容負(fù)載是1pF，溫度分別是-45℃、-15℃、15℃、45℃、75℃、105℃以及125℃條件下進(jìn)行運(yùn)算放大器電路的模擬仿真。通過仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處在不同溫度條件下時(shí)，該運(yùn)算放大器自身的增益值都可以超過75dB。通過計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)，在溫度是125℃時(shí)的增益值最小，其增益值僅僅是78.3dB；在溫度是-45℃時(shí)的增益值最大，其增益值達(dá)到了83.82dB。這與該溫度傳感器的實(shí)際應(yīng)用需求完全相符。當(dāng)處在不同溫度條件下時(shí)，該運(yùn)算放大器的電源控制比都可以低于-75dB。通過計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)，在溫度是125℃時(shí)的控制比最大，其控制比是-83.51dB；在溫度是-45℃時(shí)的控制比最小，其控制比是-85.26dB。這與該溫度傳感器的實(shí)際應(yīng)用需求完全相符。

2.3 在偏置電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在本次基于電子技術(shù)的PTAT溫度傳感器設(shè)計(jì)中，應(yīng)用的是無關(guān)于電源電壓以及溫度的典型帶隙基準(zhǔn)源，以此來為運(yùn)算放大器進(jìn)行偏置電壓提供。借助于PTAT結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)一個電流值的形成，這個電流值和溫度正相關(guān)。而在其整個的電路結(jié)構(gòu)中，則會有一個電流產(chǎn)生，這個電流與上一個電流具有相同的系數(shù)，但是和溫度負(fù)相關(guān)，這樣便可讓獲得的電流和溫度無關(guān)。在通過電阻進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后，便可獲得到一個無關(guān)于溫度的基準(zhǔn)電壓。將該基準(zhǔn)源應(yīng)用到本次基于電子技術(shù)所設(shè)計(jì)的PTAT溫度傳感器中，不僅可使其運(yùn)算放大器輸入部分和其他部分的偏置電壓需求得以充分滿足，同時(shí)也不需要進(jìn)行其他補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的加設(shè)[3]。

2.4 在溫度傳感器電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖3是本次基于電子技術(shù)所設(shè)計(jì)的PTAT溫度傳感器整體電路結(jié)構(gòu)示意圖。

在該電路結(jié)構(gòu)中，主要的組成部分有四個，第一是啟動電路，第二是偏置電路，第三是運(yùn)算放大器，第四是溫度傳感器中的核心電路。具體設(shè)計(jì)中，將M1以及M2中的柵極左接地處理，導(dǎo)通之后便可為M4管進(jìn)行柵壓提供；將M4管中的源極做接地處理，快速下拉其電壓，便可迅速將M5、M6、M7、M8、M13以及M14導(dǎo)通，以此來達(dá)到迅速啟動的效果；M18-M36屬于帶隙基準(zhǔn)電壓源，其主要功能是將偏置電壓提供給是-45-125℃之間，其電壓輸出的取值范圍是1.704V。

圖3 本次基于電子技術(shù)所設(shè)計(jì)的PTAT溫度傳感器整體電路結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，全部的取值點(diǎn)都與趨勢線十分接近。經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算得出，其測量精度可控制在-0.21-+0.12℃之間；電壓線性度輸出值可達(dá)到99.93%。由此可見，該溫度傳感器的測量精度及其靈敏度都十分良好。

3 仿真結(jié)果分析

為確保電子技術(shù)在溫度傳感器中的應(yīng)用效果，在本次通過電子技術(shù)進(jìn)行PTAT溫度傳感器的設(shè)計(jì)之后，特對其在不同溫度條件下的電壓輸出值Vtenp瞬態(tài)進(jìn)行了仿真，仿真過程中，每隔10℃進(jìn)行一次結(jié)果取值。經(jīng)仿真分析可知，在溫度運(yùn)算放大器中的輸入端。運(yùn)算放大器的連接方式為正反饋形式，以此來有效放大器件中的微弱溫度變化信號，實(shí)現(xiàn)溫度傳感器檢測范圍的擴(kuò)大和檢測精度的提升。