CN105784157B - 一种低功耗、高线性度cmos温度传感器 - Google Patents

一种低功耗、高线性度cmos温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，至少包括：启动电路，包括三个P型MOS晶体管，于系统正常工作时消耗的电流为pA级，该启动电路用于防止电路锁定工作在截止状态；与温度相关的电流产生电路，与该启动电路连接，该与温度相关的电流产生电路利用MOS管的亚阈值特性，产生一功耗低且与温度相关的电流；温度感应电路，通过电流镜将该与温度相关的电流产生电路所产生的电流提供给一基极‑集电极短接的PNP晶体管，在该PNP晶体管发射极产生一与温度线性相关的电压，通过本发明，实现了一种基于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度温度传感器。

Description

一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器
技术领域
本发明涉及一种温度传感器电路，特别是涉及一种低功耗、高线性度的CMOS温度传感器。
背景技术
温度是一个基本的物理现象，它是生产过程中应用最普通、最重要的工艺参数，无论是工农业生产，还是科学研究和国防现代化，都离不开温度测量，因此，在各种传感器中，温度传感器是应用最广泛的一种。集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是在PN结温度传感器的基础上发展起来的，具有体积小，稳定性好和价格低廉等特点。
目前，CMOS集成温度传感器的主要实现方式包括：基于MOS管的温度传感器以及基于CMOS工艺下的寄生双极型晶体管(BJT)的CMOS BJT温度传感器。常见的基于MOS管的温度特性实现温度传感器的方法有两种：1)利用处于亚阈值状态的MOS管的漏源电流具有与绝对温度成正比(PTAT)的特性来实现温度传感。由于MOS管在高温情况下，其自身的泄漏电流非常明显，使得高温下处于亚阈值状态下的MOS管的漏源电流所具有的PTAT特性受到严重影响，因此利用MOS管的亚阈值电流的PTAT特性的这种方法来实现的温度传感器的测温范围不能太宽，否则会严重影响其测温精度；2)利用强反型状态下MOS管中的载流子迁移率以及阈值电压依赖于温度这样的温度特性来实现温度传感器。这种方法的优点是温度精度很好，主要缺点在于受工艺波动的影响较大，在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作。CMOS BJT温度传感器是利用CMOS工艺下的寄生双极型晶体管产生正比于温度的电压特性来实现温度的检测。相比于MOS温度传感器，该结构线性度较好且工艺稳定。功耗和精度是衡量CMOS集成温度传感器的主要技术指标，尽管如今的CMOS集成温度传感器在这两项指标上比过去有了较大的进步，但是，现有的CMOS集成温度传感器仍然存在功耗与精度不可兼顾的问题，因此，实有必要提出一种技术手段，以解决上述问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种低功耗、高线性度的CMOS温度传感器，实现了一种基于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度的温度传感器，可用于温度监控。
为达上述及其它目的，本发明提出一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，至少包括：
启动电路，包括三个P型MOS晶体管，于系统正常工作时消耗的电流为pA级，该启动电路用于防止电路锁定工作在截止状态；
与温度相关的电流产生电路，与该启动电路连接，该与温度相关的电流产生电路利用MOS管的亚阈值特性，产生一功耗低且与温度相关的电流；
温度感应电路，通过电流镜将该与温度相关的电流产生电路所产生的电流提供给一基极-集电极短接的PNP晶体管，在该PNP晶体管发射极产生一与温度线性相关的电压。
进一步地，该启动电路包括第六PMOS管、第七PMOS管以及第八PMOS管，该第六PMOS管与该第七PMOS管源极接电源电压，该第七PMOS管漏极接该与温度相关的电流产生电路，栅极接该第六PMOS管漏极，该第六PMOS管栅极接该与温度相关的电流产生电路，该第八PMOS管栅漏相接组成反向二极管，该反向二极管阴极接至该第六PMOS管漏极和该第七PMOS管栅极，阳极接地。
进一步地，该与温度相关的电流产生电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、电流镜以及第五PMOS管，该第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管源极接电源电压，该电流镜偏置端连接该第二PMOS管漏极和第五PMOS管漏极，该电流镜输出端连接该第三PMOS管与第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及该第一NMOS管栅极，该第一PMOS管的栅漏相接组成正向二极管，并连接至该第二PMOS管、第三PMOS管与该第六PMOS管栅极、该第一NMOS管漏极以及该温度感应电路，该第一NMOS管源极接该电流镜，栅极接该第三PMOS管、第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及该电流镜输出端，该第五PMOS管栅极接地，其横向连接在该电流镜偏置端和输出端之间。
进一步地，该电流镜包括第二NMOS管、第三NMOS管以及一偏置电阻，该第二NMOS管栅漏相接组成正向二极管，其源极连接该偏置电阻至地而漏极连接至该第二PMOS管以及该第五PMOS管漏极，该第三NMOS管栅极和该第二NMOS管栅极相接，其源极接地而漏极接该第三PMOS管和第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及第一NMOS管的栅极。
进一步地，该温度感应电路由包括第四PMOS管和一PNP三极管，该第四PMOS管源极接电源电压，栅极接该第二PMOS管、第三PMOS管与第六PMOS管栅极、栅漏相接的第一PMOS管的栅极与漏极以及第一NMOS管的漏极，以在栅极电压的控制下跟随该电流产生电路的电流，该第四PMOS管漏极接该PNP三极管的发射极，该PNP三极管的基极和集电极相接组成正向二极管，其发射极为该CMOS温度传感器的输出端。
与现有技术相比，本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器通过防止电路锁定工作在截止状态的启动电路、利用MOS管亚阈值特性产生一与温度相关的电流的与温度相关的电流产生电路以及将温度相关电流产生电路所产生的与温度相关的电流提供给基极-集电极短接的PNP晶体管的温度感应电路，达到了实现一种基于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度温度传感器的目的。
附图说明
图1为本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器的电路结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
在介绍本发明之前，先说明一下本发明的理论基础：一个正向偏置、基极-集电极短接PNP三极管(CMOS工艺下PNP管的集电极由衬底组成，必须接地，且电流只能从发射极注入)，其发射极电流IE与射-基结电压Vbe之间的关系可表示为：
式中K为波耳兹曼常数，q为库仑电荷，T为绝对温度，βF为共发射极增益，IS为PN结的反向饱和电流。
由于βF、IS均是温度的函数，从而导致了Vbe与温度非线性。由式(1)可知，通过调节发射极电流IE的温度特性可以有效降低Vbe与温度非线性。
图1为本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器的电路结构图。如图1所示，本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，包括：启动电路10、与温度相关的电流产生电路20、温度感应电路30，其中，启动电路10由三个P型MOS晶体组成，系统正常工作时消耗的电流极小(在pA级)，其用于防止电路锁定工作在截止状态；与温度相关的电流产生电路20，用于利用MOS管的亚阈值特性，产生一功耗低且与温度相关的电流，以达到降低功耗和补偿温度感应电路温度特性的目的；温度感应电路30，通过将与温度相关的电流产生电路20所产生的与温度相关的电流提供给基极-集电极短接的PNP晶体管，在PNP晶体管发射极产生一与温度线性相关的电压。
具体地说，启动电路10由PMOS管PM6-PM8(称之为第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8)组成，与温度相关的电流产生电路20由PMOS管PM1-PM3(称之为第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管)、NM1-NM3(称之为第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3)、PM5(称之为第五PMOS管PM5)以及偏置电阻R1组成，温度感应电路30由PM4(称之为第四PMOS管PM4)和PNP三极管PNP1组成，PMOS管PM1-PM4、PM6-PM7源极接电源电压Vcc，NMOS管NM2、偏置电阻R1和NMOS管NM3组成电流镜，NM2栅漏相接组成正向二极管，其源极连接电阻R1至地而偏置端即栅漏短接端(二极管阳极)连接至PMOS管PM2以及PM5漏极即节点B，NMOS管NM3栅极和NMOS管NM2栅极相接，其源极接地而漏极输出端接PMOS管PM3、PM7漏极、PMOS管PM5源极以及NMOS管NM1的栅极即节点D，PMOS管PM1的栅漏相接组成正向二极管，并连接至PMOS管PM2-PM4、PMOS管PM6栅极和NMOS管NM1漏极即节点A，PMOS管PM8的栅漏相接组成反向二极管，该反向二极管阴极(PM8的栅极和漏极)接至PM6漏极和PM7栅极，其阳极(PM8源极)接地，NMOS管NM1源极接NMOS管NM2源极以及电阻R1上端即节点C，NMOS管NM1栅极接PMOS管PM3漏极、NMOS管NM3的漏极以及PMOS管PM5源极，PMOS管PM5栅极接地，PMOS管PM5横向连接在该电流镜偏置端(即节点B)和输出端之间(即节点D)之间；PMOS管PM4在节点A的电压控制下跟随电流产生电路的电流，其漏极接PNP三极管PNP1的发射极，PNP三极管PNP1的基极和集电极相接组成正向二极管，其发射极为温度传感器的输出端Vout。
当电路启动时，节点A若在高电平，则PMOS管PM1-PM4、PM6均处于截止状态，节点B以及节点D电压为“0”，此时PMOS管PM7导通对节点D进行充电，随着节点D电压的升高，PMOS管PM5导通对B点进行充电，NMOS管NM2、NM1开始工作，接着与NMOS管NM2镜像连接的NMOS管NM3也开始工作，NMOS管NM1导通迫使节点A电压下降，进而PMOS管PM1-PM4、PM6均导通，PMOS管PM6导通使得其漏极电压即PMOS管PM7的栅极电压上升导致PMOS管PM7截止，PMOS管PM7的漏极开路不对节点B电压产生影响，最终与温度相关的电流产生电路20归于稳定工作状态，温度传感电路30开始正常工作。
可见，本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器通过防止电路锁定工作在截止状态的启动电路、利用MOS管亚阈值特性产生一与温度相关的电流的与温度相关的电流产生电路以及将温度相关电流产生电路所产生的与温度相关的电流提供给基极-集电极短接的PNP晶体管的温度感应电路，实现了一种基于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度温度传感器，本发明可用于温度监控。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明将MOS管工作在亚阈值区，降低了电路功耗(整个电路的功耗小于100nA)，通常温度传感器电路的功耗在uA级。
2)利用温度补偿技术，提高了温度传感器的线性度。通过仿真对比分析，在温度变化区间均为-40°～100°情况下，补偿前线性度变化3.2％，补偿后线性度变化小于0.8％。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，至少包括：
启动电路，包括三个P型MOS晶体管，于系统正常工作时消耗的电流为pA级，该启动电路用于防止系统锁定在截止状态；
与温度相关的电流产生电路，与该启动电路连接，该与温度相关的电流产生电路利用MOS管的亚阈值特性，产生一功耗低且与温度相关的电流；
温度感应电路，通过电流镜将该与温度相关的电流产生电路所产生的电流提供给一基极-集电极短接的PNP晶体管，在该PNP晶体管发射极产生一与温度线性相关的电压，
所述启动电路包括第六PMOS管、第七PMOS管以及第八PMOS管，该第六PMOS管与该第七PMOS管源极接电源电压，该第七PMOS管漏极接该与温度相关的电流产生电路，栅极接该第六PMOS管漏极，该第六PMOS管栅极接该与温度相关的电流产生电路，该第八PMOS管栅漏相接组成反向二极管，该反向二极管阴极接至该第六PMOS管漏极和该第七PMOS管栅极，阳极接地。
2.如权利要求1所述的一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，其特征在于：该与温度相关的电流产生电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、电流镜以及第五PMOS管，该第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管源极接电源电压，该电流镜偏置端连接该第二PMOS管漏极和第五PMOS管漏极，该电流镜输出端连接该第三PMOS管与第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及该第一NMOS管栅极，该第一PMOS管的栅漏相接组成正向二极管，并连接至该第二PMOS管、第三PMOS管与该第六PMOS管栅极、该第一NMOS管漏极以及该温度感应电路，该第一NMOS管源极接该电流镜，栅极接该第三PMOS管、第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及该电流镜输出端，该第五PMOS管栅极接地，其横向连接在该电流镜偏置端和输出端之间。
3.如权利要求2所述的一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，其特征在于：该电流镜包括第二NMOS管、第三NMOS管以及一偏置电阻，该第二NMOS管栅漏相接组成正向二极管，其源极连接该偏置电阻至地而漏极连接至该第二PMOS管以及该第五PMOS管漏极，该第三NMOS管栅极和该第二NMOS管栅极相接，其源极接地而漏极接该第三PMOS管和第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及第一NMOS管的栅极。
4.如权利要求3所述的一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，其特征在于：该温度感应电路包括第四PMOS管和一PNP三极管，该第四PMOS管源极接电源电压，栅极接该第二PMOS管、第三PMOS管与第六PMOS管栅极、栅漏相接的第一PMOS管的栅极与漏极以及第一NMOS管的漏极，以在栅极电压的控制下跟随该电流产生电路的电流，该第四PMOS管漏极接该PNP三极管的发射极，该PNP三极管的基极和集电极相接组成正向二极管，其发射极为该CMOS温度传感器的输出端。
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