CN101105413A - 温度监测电路 - Google Patents

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本发明公开了一种能够识别集成电路芯片温度是否超出安全工作区的温度监测电路。它是通过电压放大电路,对流过恒定电流的正向偏置导通的PN结电压随温度的变化进行监测。整个温度监测电路由电压分压电路、多输出电流源电路、温度传感电路以及电压放大电路构成。整个电路没有使用电阻元件:通过在电压放大电路的多级放大结构中形成正反馈回路,以控制电压放大电路的增益,使电路具有温度滞回的动态特性;同时,在电压放大电路中引入正反馈,也使得对电压放大电路的增益要求降低,并使电路的输出信号的跳变沿陡峭。

Description

温度监测电路
技术领域
本发明涉及半导体集成电路,具体涉及对半导体集成电路的温度进行监测的电路。
背景技术
当集成电路的温度高出安全工作温度时,电路将不能正常工作,甚至会由于过流造成对集成电路中器件的损伤,因而需要温度监测电路对电路的温度进行监测。根据需要,可设定一个高温阈值温度T1,当电路温度达到T1时,监测电路给出一个温度过高的指示信号。根据应用场合,该指示信号可用于报警电路的触发信号,或用于时钟信号的降频、功率器件的关断控制信号等。
目前,本领域技术人员周知的一种温度监测电路如图1所示,该电路由以下几个部分构成:与温度成正比(PTAT)电流源电路,温度传感器,以及电压比较器。与温度成正比电流源电路产生随温度升高而增大的电流,该电流流过温度传感器电路的电阻R2,使A点电压随温度升高而升高。由于正偏导通的PN结电压具有负的温度系数,温度传感器电路的双极晶体管Q3的发射结电压Vbe,随温度升高而下降,因而B点电压随温度下降。这样,A点与B点的电压差随温度上升而增大,最终使电压比较器的输出翻转。
电路与目标工艺的兼容性和电路所占用的芯片(die)面积是集成电路设计中必须考虑的两个因素。数字CMOS工艺一般不提供电阻元件,即使提供了电阻元件,也会要求增加工序和掩膜版(mask)。此外,电阻元件还会占用很大的芯片面积。因此,图1电路的主要缺点是:使用了电阻元件,与数字CMOS半导体工艺不兼容,增加了生产成本;需要的器件数量多,占用的芯片面积大;不具有温度滞回特性,即促使温度监测电路的输出,发生指示电路温度过高翻转的温度,与促使输出发生指示电路温度恢复到正常范围的翻转的温度相同,当电路温度从低温升至阈值温度T1时,监测电路输出发生翻转,此后,如果温度控制电路使电路温度回落到T1时,而不是回落到比T1小的T2处,电路输出信号再次翻转,指示温度控制电路停止工作,此后,电路温度又很快上升,在T1温度处监测电路的输出又发生翻转,如此反复,造成温度控制电路频繁启动,而集成电路本身也不能得到充分降温。
发明内容
为与数字CMOS半导体工艺兼容,减小温度监测电路占用的芯片面积,降低生产成本,本发明的目的在于,提供一种只采用MOS晶体管和与CMOS工艺兼容的衬底PNP双极晶体管(substrate PNP bipolar transistor)的,并具有温度滞回特性的温度监测电路。
本发明采用的技术方案是:一种温度监测电路,由电源电压分压电路、多输出电流源电路、温度传感器电路以及电压放大电路构成。整个电路不使用电阻元件,电源电压分压电路采用有源电阻,即将栅极与漏极短接的MOS晶体管,在电源线到地线间串联的结构;多输出电流源电路采用将PMOS晶体管的栅极和源极接固定参考电压的单管结构,或威尔逊电流源(Wilsoncurrent source)、共源共栅电流源(cascode current source)等不需要电阻的电流源结构;温度传感电路仅使用两个发射结串联、发射极分别与多输出电流源输出端连接的衬底PNP晶体管;电压放大电路的负载使用MOS晶体管构成的有源负载。电压放大电路采用多级放大电路级连的结构,通过在电压放大电路的多级放大结构中形成正反馈回路,以控制电压放大电路的增益,使电路具有温度滞回的动态特性。同时,在电压放大电路中引入正反馈,也使得对电压放大电路的增益要求降低,并使电路的输出信号的跳变沿陡峭。
通过电压放大电路对两个串联的正偏导通的PN结电压变化进行放大,达到对温度进行监测的目的。
电源电压分压电路为多输出电流源电路提供基准电压。电源电压分压电路在实现上采用有源电阻在电源线到地线间串联的结构。对于不同的电源电压和输出电压要求,只需调整串接的有源电阻的个数或器件尺寸(沟道长度L和沟道宽度W)。例如,图3所示的实施实例电路采用了由两个有源电阻(Mp1和Mn2)构成的,具有一个输出端A的电源电压分压电路。
多输出电流源电路为温度传感器电路和电压放大电路提供恒定电流。多输出电流源可采用多个源极接电源,栅极接固定基准电压,漏极做为电流输出端的PMOS晶体管实现,也可根据需要,采用共源共栅电流源、威尔逊电流源等结构复杂而交流输出电阻大的电流源结构。例如,图3所示的实施实例采用了由3个栅极和源极接固定电压的单管(Mp2、Mp3和Mp4)构成的多输出电流源结构。
温度传感器电路由两个衬底PNP晶体管构成。第一个PNP晶体管的基极和集电极与地连接,发射极除与多输出电流源的一个电流输出端连接外还与第二个PNP管的基极连接。第二个PNP管的集电极接地,发射极作为温度传感器的输出端,与多输出电流源的一个输出端和电压放大电路的输入端连接,其电压值为两个PNP管发射结电压VBE的和。采用两个PNP管发射结电压VBE的和信号作为放大电路输入信号的原因在于,增强型MOS晶体管正常工作需要的栅源极电压VGS约为1V左右,而单个正偏导通的发射结电压VBE约为0.7V,如果温度传感电路只采用一个PNP管,则温度传感电路的输出电压需要通过电平位移电路与放大电路耦合。以上两个PNP管采用上述连接方式是为了满足了衬底PNP管集电极必须与电路中的最低电位相连接的要求。
为获得足够的电压增益,电压放大电路采用多级放大电路级连的结构,并通过将后级电压放大电路的输出接回到前级电压放大电路的有源负载管的栅极,构成正反馈回路。为保证该反馈为正反馈,应注意信号的极性。例如,将后级放大级的输出端,与前级电压放大电路的有源负载管的栅极连接,以控制负载管的导通程度,因而控制了前级放大电路的交流小信号输出电阻,达到动态控制电压放大电路电压增益的目的。而该回路可以是正反馈可以通过以下过程说明:当前级电压放大级的输出升高,如果后级电压放大级输入与输出电压信号变化方向相反,则后级放大电路输出电压下降,使前级放大电路的PMOS负载管导通程度提高,将前级放大电路的输出端电压进一步向电源方向拉进,反之亦然。
该温度监测电路的特点是:只采用了MOS晶体管和与CMOS工艺兼容的衬底PNP晶体管,无电阻元件,因而不仅能够采用模拟CMOS工艺和BiCMOS工艺,也能采用数字CMOS工艺加工;电路结构简单,使用的元器件数量少,需要的芯片面积小;通过在电压放大电路中引入正反馈回路,使电路具有温度滞回特性;适合于低电源电压工作,要求的最低电压为电压分压电路中串联的有源电阻栅源极电压VGS之和。
附图说明
图1是传统温度监测电路结构。
图2是本发明的温度监测电路的结构框图。
图3是本发明温的度监测电路的一个实施实例。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的温度监测电路的一个实施实例电路如图3所示,包括电源电压分压电路10、多输出电流源电路20、温度传感器电路30以及由共源极放大级和反向器放大级构成的电压放大电路40。
所述电源电压分压电路10为:作为有源电阻的PMOS晶体管Mp1的源极与电源连接,栅极与漏极短接,并与A点连接,作为有源电阻的NMOS晶体管Mn1的源极接地,栅极与漏极短接,并也与A点连接,A点为电源电压分压电路的输出端。
所述多输出电流源电路20,包括了源极与电源连接,栅极与电压分压电路输出端A点连接的PMOS晶体管Mp2、Mp3和Mp4,它们的漏极为多输出电流源输出端,分别与温度传感器电路中的衬底PNP管Q1、Q2的集电极,和电压放大电路中的共源放大NMOS管Mn2的漏极连接。
所述温度传感器电路30为:衬底PNP管Q1的基极、集电极与地连接,发射极与Mp2管的漏极和第二个衬底PNP管Q2的基极连接;衬底PNP管Q2的发射极与PMOS管Mp3的漏极连接,基极与衬底PNP管Q1的发射极和Mp2管的漏极连接,集电极与地连接;B点为温度传感电路的输出端,其电压为Q1管发射结电压VBEQ1和Q2管发射结电压VBEQ2的和,其温度系数与Q1、Q2管发射结的温度系数相同。
所述电压放大电路40电压放大电路采用多级放大电路级连的结构,由PMOS晶体管Mp5、Mp6,和NMOS晶体管Mn2、Mn3构成,Mn2的源极接地,栅极接温度传感器电路的输出端B,漏极与Mp5管的漏极和多输出电流源的Mp4管的漏极,以及Mp6管、Mn3管的栅极连接,Mp5管的源极与电源连接,栅极与Mp6管、Mn3管的漏极连接,Mp6管的源极与电源连接,Mn3管的源极与地连接。
通过在电压放大电路的多级放大结构中形成正反馈回路,以控制电压放大电路的增益,使电路具有温度滞回的动态特性;同时,在电压放大电路中引入正反馈,也使得对电压放大电路的增益要求降低,并使电路的输出信号的跳变沿陡峭。
下面对图3所示的温度监测电路实施实例的工作原理进行阐述。
随着温度上升,由于温度传感器电路中,衬底PNP晶体管Q1、Q2的发射结电压VBE具有负的温度系数,B点电压随温度上升而下降,而电压放大电路中,C点电压随之上升,D点电压下降。当电路温度上升到高温阈值温度T1时,Mp5管开始导通,使C点电压进一步上升,这样,从C点出发,经反相器放大级,再通过Mp5管回到C点,构成了一个正反馈回路,使D点电压迅速跳变为低电平,指示芯片温度达到了高温阈值温度T1。此时,由于D点电压为低,Mp5管工作在非饱和区,使共源极电压放大电路的等效交流小信号输出电阻低于Mp5管关断时的值,电压放大增益变小,电路对B点电压的变化,也即温度的变化的响应灵敏度降低。此后,当芯片温度回落时,温度监测电路的输出将不能在T1温度处跳变回到高电平,而需等待芯片温度降到比T1低的低温阈值T2处跳变,使监测电路具有了温度滞回特性。在温度下降过程中,正反馈回路依然起作用:当温度下降到低温阈值温度T2时,B点电压上升,C点电压下降,D点电压上升,Mp5管导通程度减弱,使C点电压进一步下降。该正反馈回路保证了监测电路输出信号在低温阈值温度T2处,也能够可靠的、迅速的发生跳变。

Claims (3)

1.一种温度监测电路,其特征在于,该温度监测电路由电源电压分压电路、多输出电流源电路、温度传感器电路以及电压放大电路构成,电源电压分压电路与多输出电流源电路连接,多输出电流源电路分别与温度传感器电路、电压放大电路相连,整个电路不使用电阻元件;其中:
所述的电源电压分压电路采用有源电阻,即将栅极与漏极短接的MOS晶体管,在电源线到地线间串联的结构;
所述的多输出电流源电路采用将PMOS晶体管的栅极和源极接固定参考电压的单管结构,或威尔逊电流源、共源共栅电流源不需要电阻的电流源结构;
所述的温度传感器电路仅使用两个发射结串联、发射极分别与多输出电流源输出端连接的衬底PNP晶体管,电压放大电路的负载使用MOS晶体管构成的有源负载;
所述的电压放大电路采用多级放大电路级连的结构,通过在电压放大电路的多级放大结构中形成正反馈回路,以控制电压放大电路的增益,使电路具有温度滞回的动态特性;同时,在电压放大电路中引入正反馈,也使得对电压放大电路的增益要求降低,并使电路的输出信号的跳变沿陡峭。
2.如权利要求1所述的温度监测电路,其特征是所述的温度传感电路由两个衬底PNP晶体管构成,第一个衬底PNP管的基极和集电极与地线连接,发射极与电流源的一个输出端连接,第二个PNP晶体管的基极与第一个PNP晶体管的发射极连接,集电极与地线连接,发射极与电流源的一个输出端连接。
3.如权利要求1所述的温度监测电路,其特征是所述的电压放大电路由多级放大电路级连构成,通过将后级电压放大级的输出端与前级放大级的有源负载管的栅极连接,以构成正反馈回路。
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Granted publication date: 20090603

Termination date: 20160808