CN108489625A - 一种cmos全集成近零功耗温度传感器 - Google Patents

一种cmos全集成近零功耗温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CMOS全集成近零功耗温度传感器，包括PTAT感温元件、CWT感温元件、第一电压‑电流转换器、第二电压‑电流转换器、第一偏置发生器、第二偏置发生器、第一环形振荡器、第二环形振荡器及计数器；其中，计数器包括启动电路、CWT计数器及PTAT计数器；所述第一电压‑电流转换器及第二电压‑电流转换器均包括电源、运算放大器、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第二PMOS管、第一PMOS管及第二NMOS管，该传感器功耗及成本较低，并且芯片面积较小。

Description

一种CMOS全集成近零功耗温度传感器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，涉及一种CMOS全集成近零功耗温度传感器。
背景技术
随着5G通信与物联网技术(IoT)的不断发展，传感器技术作为物联网的感知识别层，越来越受到人们的关注。由于无线传感网络以大量移动或静止的传感器以自组织或多跳的方式构成网络，故要求组网传感器具有超低功耗、低成本、微型化的特点。另外，当前适用于无线传感网络的传感器设计还存在如下挑战：首先，当前传感器受电池电量密度低的技术限制，而为传感器更换电池附加的人工成本高于传感网络布网成本。其次，以能量收集的方式实现传感器系统自供电的方法在尚停留在微瓦级别。因此，要求传感器具有超低功耗甚至近零功耗的特点。温度传感器作为应用范围最广的传感器设备之一，同样需要具备以上特征。
当前集成电路领域温度传感器设计方法主要由两条思路：
基于BJT工艺，通过获取基极-发射极电压，得到与绝对温度负相关(CTAT)的电压Vbe以及与绝对温度正相关(PTAT)的电压ΔVbe，该电压或电压比值被送入数模转换器进行数字化。基于BJT的传感器消耗微瓦范围的功率，这对于IoT应用来说是过高的。
基于MOSFET，通过巧妙地电路设计提取热电压VT，迁移率μ等获取温度信息。基于MOSFET的温度传感器逐渐替代传统的基于BJT的传感器，因为它们可以进一步将功耗降低到几百纳瓦，这更接近实际的物联网应用，特别适于自供电的无线温度传感器节点。然而，在以前的几乎所有工作中，在电压-电流(VI)转换器中需要非常大的电阻器或特殊的工艺技术以实现小的功耗。例如：对于数百纳瓦级别的功耗，需要几十兆欧姆的电阻，这会极大增加芯片面积、外围配置电路和成本，并由于电阻本身的精度问题也会导致该类型温度传感器精度不高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种CMOS全集成近零功耗温度传感器，该传感器功耗及成本极低，并且芯片面积较小。
为达到上述目的，本发明所述的CMOS全集成近零功耗温度传感器包括PTAT感温元件、CWT感温元件、第一电压-电流转换器、第二电压-电流转换器、第一偏置发生器、第二偏置发生器、第一环形振荡器、第二环形振荡器及计数器；其中，计数器包括启动电路、CWT计数器及PTAT计数器；
所述第一电压-电流转换器及第二电压-电流转换器均包括电源、运算放大器、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第二PMOS管、第一PMOS管及第二NMOS管；其中，运算放大器的同相输入端与第三PMOS管的漏极及第四PMOS管的源极相连接，运算放大器的输出端与第三PMOS管的栅极相连接，第三PMOS管的源极与电源相连接，第四PMOS管的漏极与第五PMOS管的源极及第四PMOS管的栅极相连接，第五PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极及第五PMOS管的栅极相连接，第二PMOS管的漏极与第二PMOS管的栅极、第一PMOS管的漏极及第一NMOS管的漏极相连接，第一PMOS管的源极与电源及第一PMOS管的栅极相连接，第一NMOS管的栅极及第一NMOS管的源极均接地；
第一电压-电流转换器中运算放大器AMP的反相输入端与PTAT感温元件的输出端相连接，第一电压-电流转换器中运算放大器的输出端与第一偏置发生器的输入端相连接；
第二电压-电流转换器中运算放大器的反相输入端与CWT感温元件相连接，第二电压-电流转换器中运算放大器的输出端与第二偏置发生器的输入端相连接；
第一偏置发生器的输出端与第一环形振荡器的输入端相连接，第二偏置发生器的输出端与第二环形振荡器的输入端相连接，第一环形振荡器的输出端及第二环形振荡器的输出端分别与启动电路的输入端相连接，启动电路的两个输出端分别与PTAT计数器的时钟信号输入端及CWT计数器的时钟信号输入端相连接，启动电路控制PTAT计数器及CWT计数器同步启动，当CWT计数器达到饱和时，则PTAT计数器及CWT计数器停止计数，从PTAT计数器读取温度数字。
所述CWT感温元件包括第六PMOS管及第二NMOS管，其中，第六PMOS管的源极与电源相连接，第六PMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极、第六PMOS管的栅极及第二电压-电流转换器中运算放大器的反相输入端相连接，第二NMOS管的源极及第二NMOS管的栅极均接地。
所述PTAT感温元件包括第七PMOS管及第三NMOS管，其中，第七PMOS管的源极与电源及第七PMOS管的栅极相连接，第七PMOS管的漏极与第三NMOS管的漏极、第三NMOS管的栅极及第一电压-电流转换器中运算放大器的反相输入端相连接，第三NMOS管的源极接地。
所述启动电路包括第一非门、第二非门及启动信号输入端，其中，启动信号输入端与第一非门的一个输入端及第二非门的一个输入端相连接，第一环形振荡器的输出端与第一非门的另一个输入端相连接，第二环形振荡器的输出端与第二非门的另一个输入端相连接，第一非门的输出端与PTAT计数器的时钟信号输入端相连接，第二非门的输出端与CWT计数器的时钟信号输入端相连接。
PTAT计数器包括信号输出接口及N第一触发器，CWT计数器包括M第二触发器，其中，第一非门的输出端与第一个第一触发器的CLK引脚相连接，第i个第一触发器的D引脚与第i个第一触发器的Q引脚及第i+1个第一触发器的CLK引脚相连接，第N个第一触发器的D引脚与第N个第一触发器的Q引脚相连接，各第一触发器的Q引脚与信号输出接口相连接，1≤i＜N，且i为正整数；
第二非门的输出端与第一个第二触发器的CLK引脚相连接，第j个第二触发器的D引脚与第j个第二触发器的Q引脚及第j+1个第二触发器的CLK引脚相连接，第M个第二触发器的Q引脚、各第一触发器的R引脚及各第二触发器的R引脚均相连接，1≤j＜M，且j为正整数。
N等于12，M等于8。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的CMOS全集成近零功耗温度传感器在具体操作时，第一电压-电流转换器及第二电压-电流转换器采用MOS管与运算放大器集成而成，无需采用片外无源组件及片上大电阻，并且不需要特殊工艺支持，具有兼容任何标准CMOS工艺的特点，同时本发明无需外部时钟及辅助电路，因此具有芯片面积小、功耗超低、成本低等特点，同时实现由温度信号至数字信号的转换，具有较强的实用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中PTAT感温元件1的结构示意图；
图3为本发明中CWT感温元件的结构示意图；
图4为本发明中第一电压-电流转换器2的结构示意图；
图5为本发明中第一环形振荡器3及第一偏置电路的结构示意图；
图6为本发明中计数器的结构示意图。
其中，1为PTAT感温元件、2为第一电压-电流转换器、3为第一环形振荡器、4为计数器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图4，本发明所述的CMOS全集成近零功耗温度传感器包括PTAT感温元件1、CWT感温元件、第一电压-电流转换器2、第二电压-电流转换器、第一偏置发生器、第二偏置发生器、第一环形振荡器3、第二环形振荡器及计数器4；其中，计数器4包括启动电路、CWT计数器及PTAT计数器；所述第一电压-电流转换器2及第二电压-电流转换器均包括电源、运算放大器AMP、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第二PMOS管MP2、第一PMOS管MP1及第二NMOS管MN2；其中，运算放大器AMP的同相输入端与第三PMOS管MP3的漏极及第四PMOS管MP4的源极相连接，运算放大器AMP的输出端与第三PMOS管MP3的栅极相连接，第三PMOS管MP3的源极与电源相连接，第四PMOS管MP4的漏极与第五PMOS管MP5的源极及第四PMOS管MP4的栅极相连接，第五PMOS管MP5的漏极与第二PMOS管MP2的源极及第五PMOS管MP5的栅极相连接，第二PMOS管MP2的漏极与第二PMOS管MP2的栅极、第一PMOS管MP1的漏极及第一NMOS管MN1的漏极相连接，第一PMOS管MP1的源极与电源及第一PMOS管MP1的栅极相连接，第一NMOS管MN1的栅极及第一NMOS管MN1的源极均接地；
第一电压-电流转换器2中运算放大器AMP的反相输入端与PTAT感温元件1的输出端相连接，第一电压-电流转换器2中运算放大器AMP的输出端与第一偏置发生器的输入端相连接；第二电压-电流转换器中运算放大器AMP的反相输入端与CWT感温元件相连接，第二电压-电流转换器中运算放大器AMP的输出端与第二偏置发生器的输入端相连接；
第一偏置发生器的输出端与第一环形振荡器3的输入端相连接，第二偏置发生器的输出端与第二环形振荡器的输入端相连接，第一环形振荡器3的输出端及第二环形振荡器的输出端分别与启动电路的输入端相连接，启动电路的两个输出端分别与PTAT计数器的时钟信号输入端及CWT计数器的时钟信号输入端相连接，启动电路控制PTAT计数器及CWT计数器同步启动，当CWT计数器达到饱和时，则PTAT计数器及CWT计数器停止计数，从PTAT计数器读取温度数字。
参考图3，所述CWT感温元件包括第六PMOS管MP6及第二NMOS管MN2，其中，第六PMOS管MP6的源极与电源相连接，第六PMOS管MP6的漏极与第二NMOS管MN2的漏极、第六PMOS管MP6的栅极及第二电压-电流转换器中运算放大器AMP的反相输入端相连接，第二NMOS管MN2的源极及第二NMOS管MN2的栅极均接地。
参考图2，所述PTAT感温元件1包括第七PMOS管MP7及第三NMOS管MN3，其中，第七PMOS管MP7的源极与电源及第七PMOS管MP7的栅极相连接，第七PMOS管MP7的漏极与第三NMOS管MN3的漏极、第三NMOS管MN3的栅极及第一电压-电流转换器2中运算放大器AMP的反相输入端相连接，第三NMOS管MN3的源极接地。
参考图6，所述启动电路包括第一非门C1、第二非门C2及启动信号输入端，其中，启动信号输入端与第一非门C1的一个输入端及第二非门C2的一个输入端相连接，第一环形振荡器3的输出端与第一非门C1的另一个输入端相连接，第二环形振荡器的输出端与第二非门C2的另一个输入端相连接，第一非门C1的输出端与PTAT计数器的时钟信号输入端相连接，第二非门C2的输出端与CWT计数器的时钟信号输入端相连接。
参考图6，PTAT计数器包括信号输出接口及N第一触发器D1，CWT计数器包括M第二触发器D2，其中，第一非门C1的输出端与第一个第一触发器D1的CLK引脚相连接，第i个第一触发器D1的D引脚与第i个第一触发器D1的Q引脚及第i+1个第一触发器D1的CLK引脚相连接，第N个第一触发器D1的D引脚与第N个第一触发器D1的Q引脚相连接，各第一触发器D1的Q引脚与信号输出接口相连接，1≤i＜N，且i为正整数；第二非门C2的输出端与第一个第二触发器D2的CLK引脚相连接，第j个第二触发器D2的D引脚与第j个第二触发器D2的Q引脚及第j+1个第二触发器D2的CLK引脚相连接，第M个第二触发器D2的Q引脚、各第一触发器D1的R引脚及各第二触发器D2的R引脚均相连接，1≤j＜M，且j为正整数。
本发明提供的第一电压-电流转换器2及第二电压-电流转换器无需片内大电阻及特殊工艺电容，利用第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4及第一一NMOS管的关断电流实现电压-电流转换，第一电压-电流转换器2及第二电压-电流转换器均工作于亚阈值区，流经第三PMOS管MP3及第四PMOS管MP4的电流关于温度的函数表现出高阶指数模型。
另外，第一电压-电流转换器2及第二电压-电流转换器分别将感温元件输出的感测电压VPTAT及VCWT转换成流经第三PMOS管MP3的参考电流ID.p1.PTAT和ID.p1.CWT，这对电流的比值RAI与温度线性相关。
参考图5，第一偏置发生器及第二偏置发生器被设计为依靠外部偏置电压产生偏置电流；再由偏置电流产生两个控制电压VBH及VBL，然后使用VBH及VBL控制传输门来调节通道电阻，相当于调节环形振荡器的延迟时间。
PTAT计数器中的第一触发器D1的数目为12个，CWT计数器中第二触发器D2的数目为8个。PTAT计数器的位数选择以不会溢出，特别是在PTAT频率达到最大值的高温条件下不会溢出为原则。
在具体操作时，第一电压-电流转换器2及第二电压-电流转换器将参考电压VBP1和VBP2均转换为随温度变化的充电时间，最后再分别通过第一环形振荡器3及第二环形振荡器转换为数字信号，第一环形振荡器3和第二环形振荡器输出频率fH与fL的比值与PTAT感温元件1及CWT感温元件输出的感测电压VPTAT与VCWT的差值之间满足线性关系；另外，PTAT计数器的输入端及CWT计数器的输入端均由启动电路控制，启动信号Vstart触发后，PTAT计数器及CWT计数器同时开始向上计数，当CWT计数器达到饱和时Vdone信号置位，CWT计数器及PTAT计数器都停止，即可从PTAT计数器读取数字代码。

Claims (6)

1.一种CMOS全集成近零功耗温度传感器，其特征在于，包括PTAT感温元件(1)、CWT感温元件、第一电压-电流转换器(2)、第二电压-电流转换器、第一偏置发生器、第二偏置发生器、第一环形振荡器(3)、第二环形振荡器及计数器(4)；其中，计数器(4)包括启动电路、CWT计数器及PTAT计数器；
所述第一电压-电流转换器(2)及第二电压-电流转换器均包括电源、运算放大器(AMP)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)、第二PMOS管(MP2)、第一PMOS管(MP1)及第二NMOS管(MN2)；其中，运算放大器(AMP)的同相输入端与第三PMOS管(MP3)的漏极及第四PMOS管(MP4)的源极相连接，运算放大器(AMP)的输出端与第三PMOS管(MP3)的栅极相连接，第三PMOS管(MP3)的源极与电源相连接，第四PMOS管(MP4)的漏极与第五PMOS管(MP5)的源极及第四PMOS管(MP4)的栅极相连接，第五PMOS管(MP5)的漏极与第二PMOS管(MP2)的源极及第五PMOS管(MP5)的栅极相连接，第二PMOS管(MP2)的漏极与第二PMOS管(MP2)的栅极、第一PMOS管(MP1)的漏极及第一NMOS管(MN1)的漏极相连接，第一PMOS管(MP1)的源极与电源及第一PMOS管(MP1)的栅极相连接，第一NMOS管(MN1)的栅极及第一NMOS管(MN1)的源极均接地；
第一电压-电流转换器(2)中运算放大器(AMP)的反相输入端与PTAT感温元件(1)的输出端相连接，第一电压-电流转换器(2)中运算放大器(AMP)的输出端与第一偏置发生器的输入端相连接；
第二电压-电流转换器中运算放大器(AMP)的反相输入端与CWT感温元件相连接，第二电压-电流转换器中运算放大器(AMP)的输出端与第二偏置发生器的输入端相连接；
第一偏置发生器的输出端与第一环形振荡器(3)的输入端相连接，第二偏置发生器的输出端与第二环形振荡器的输入端相连接，第一环形振荡器(3)的输出端及第二环形振荡器的输出端分别与启动电路的输入端相连接，启动电路的两个输出端分别与PTAT计数器的时钟信号输入端及CWT计数器的时钟信号输入端相连接，启动电路控制PTAT计数器及CWT计数器同步启动，当CWT计数器达到饱和时，则PTAT计数器及CWT计数器停止计数，从PTAT计数器读取温度数字。
2.根据权利要求1所述的CMOS全集成近零功耗温度传感器，其特征在于，所述CWT感温元件包括第六PMOS管(MP6)及第二NMOS管(MN2)，其中，第六PMOS管(MP6)的源极与电源相连接，第六PMOS管(MP6)的漏极与第二NMOS管(MN2)的漏极、第六PMOS管(MP6)的栅极及第二电压-电流转换器中运算放大器(AMP)的反相输入端相连接，第二NMOS管(MN2)的源极及第二NMOS管(MN2)的栅极均接地。
3.根据权利要求1所述的CMOS全集成近零功耗温度传感器，其特征在于，所述PTAT感温元件(1)包括第七PMOS管(MP7)及第三NMOS管(MN3)，其中，第七PMOS管(MP7)的源极与电源及第七PMOS管(MP7)的栅极相连接，第七PMOS管(MP7)的漏极与第三NMOS管(MN3)的漏极、第三NMOS管(MN3)的栅极及第一电压-电流转换器(2)中运算放大器(AMP)的反相输入端相连接，第三NMOS管(MN3)的源极接地。
4.根据权利要求1所述的CMOS全集成近零功耗温度传感器，其特征在于，所述启动电路包括第一非门(C1)、第二非门(C2)及启动信号输入端，其中，启动信号输入端与第一非门(C1)的一个输入端及第二非门(C2)的一个输入端相连接，第一环形振荡器(3)的输出端与第一非门(C1)的另一个输入端相连接，第二环形振荡器的输出端与第二非门(C2)的另一个输入端相连接，第一非门(C1)的输出端与PTAT计数器的时钟信号输入端相连接，第二非门(C2)的输出端与CWT计数器的时钟信号输入端相连接。
5.根据权利要求1所述的CMOS全集成近零功耗温度传感器，其特征在于，PTAT计数器包括信号输出接口及N第一触发器(D1)，CWT计数器包括M第二触发器(D2)，其中，第一非门(C1)的输出端与第一个第一触发器(D1)的CLK引脚相连接，第i个第一触发器(D1)的D引脚与第i个第一触发器(D1)的引脚及第i+1个第一触发器(D1)的CLK引脚相连接，第N个第一触发器(D1)的D引脚与第N个第一触发器(D1)的引脚相连接，各第一触发器(D1)的Q引脚与信号输出接口相连接，1≤i＜N，且i为正整数；
第二非门(C2)的输出端与第一个第二触发器(D2)的CLK引脚相连接，第j个第二触发器(D2)的D引脚与第j个第二触发器(D2)的引脚及第j+1个第二触发器(D2)的CLK引脚相连接，第M个第二触发器(D2)的Q引脚、各第一触发器(D1)的R引脚及各第二触发器(D2)的R引脚均相连接，1≤j＜M，且j为正整数。
6.根据权利要求1所述的CMOS全集成近零功耗温度传感器，其特征在于，N等于12，M等于8。
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