CN112504494A - 一种超低功耗cmos温度感应电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低功耗CMOS温度感应电路，包括：电流产生电路，用于产生温度感应电路所需的参考偏置电流；温度感应电路，用于在所述参考偏置电流作用下产生与温度成线性关系的温感输出电压；反馈环路，连接所述电流产生电路及温度感应电路，以避免所述电流产生电路与温度感应电路的失配。

Description

一种超低功耗CMOS温度感应电路
技术领域
本发明涉及一种温度感应电路，特别是涉及一种超低功耗CMOS温度感应电路。
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，将作为感温器件的温敏晶体管及外围电路集成在同一个芯片上的集成化温度传感器，特点是微型化，使用方便和价格低廉。温度传感器集成化成为了一个重要的趋势。
目前，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的CMOS温度传感器。其中，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：第一种方法是：利用当栅源电压低于MOS管的阈值电压时，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，然而，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；第二种方法是：利用强反型状态下，MOS管中的载流子迁移率以及阈值电压会严重的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，但是需要特殊的工艺以及受工艺波动的影响较大。
CMOS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来实现温度转换的。CMOS工艺由于易于实现数字和模拟电路的集成而逐渐推广，在集成电路设计中占主导地位。相比于MOS温度传感器，CMOS温度传感器具有设计简单、测量精确、高度集成、价格低廉等优点，在计算机、工业控制、电信和医学等领域得到非常广泛的应用。但是，不论何时，降低功耗和提高线性度都是CMOS温度感应电路持续不懈的追求。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种超低功耗CMOS温度感应电路，以实现对CMOS温度传感器降低功耗和提高其线性度的目的。
为达上述及其它目的，本发明提出一种超低功耗CMOS温度感应电路，包括：
电流产生电路，用于产生温度感应电路所需的参考偏置电流；
温度感应电路，用于在所述参考偏置电流作用下产生与温度成线性关系的温感输出电压；
反馈环路，连接所述电流产生电路及温度感应电路，以避免所述电流产生电路与温度感应电路的失配。
优选地，所述电流产生电路包括第一二极管和第一PMOS偏置管，所述第一PMOS偏置管的源极连接电源VDD，栅极与漏极短接后连接至所述温度感应电路，并连接所述第一二极管的阴极以及所述反馈环路的一输入端，所述第一二极管阳极接地。
优选地，所述温度感应电路包括第二二极管和第二PMOS管，所述第二PMOS管源极接电源VDD，栅极连接至所述第一PMOS偏置管短接的栅漏极，漏极接所述反馈环路的另一输入端，所述第二二极管阳极接所述反馈环路输出端组成所述温感输出电压节点，阴极接地。
优选地，所述反馈环路包括一运算放大器和第三PMOS管，所述运算放大器的一输入端接所述电流产生电路的第一PMOS偏置管的短接的栅漏极，另一输入端连接所述第二PMOS管漏极并连接所述第三PMOS管源极，输出端连接所述第三PMOS管栅极，所述第三PMOS管漏极与所述第二二极管阳极连接组成所述温感输出电压节点。
优选地，所述运算放大器的同相收入端接所述电流产生电路的第一PMOS偏置管的短接的栅漏极，反相输入端接所述第二PMOS管漏极及所述第三PMOS管源极。
优选地，调节所述第三PMOS晶体管源极和漏极之间的电压，确保所述运算放大器的同相输入端与反相输入端电压相同，从而避免由于所述第一PMOS偏置管与第二PMOS管漏极端电压不同而引起的电流失配。
与现有技术相比，本发明一种超低功耗CMOS温度感应电路通过利用反馈环调节温度感应电路的第三PMOS管PM3源极和漏极之间的电压，确保第一PMOS偏置管PM1漏极电压与第二PMOS管PM2漏极电压电压相同，从而避免由于第一PMOS偏置管PM1与第二PMOS管PM2管漏极电压不同而引起的电流失配，实现对CMOS温度传感器降低功耗和提高其线性度的目的。
附图说明
图1为本发明一种超低功耗CMOS温度感应电路之较佳实施例的电路结构图。
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。
图1为本发明一种超低功耗CMOS温度感应电路之较佳实施例的电路结构图。如图1所示，在本发明较佳实施例中，一种超低功耗CMOS温度感应电路，包括：包括电流产生电路10、温度感应电路20和反馈环路30。
其中，电流产生电路10由第一二极管D1和第一PMOS偏置管PM1组成，用于产生温度感应电路20所需的参考偏置电流；温度感应电路20由第二二极管D2和第二PMOS管PM2组成，用于在参考偏置电流作用下产生正比于温度的温感输出电压Vout；反馈环路30由运算放大器OPA和第三PMOS管PM3组成，用于调节第三PMOS管PM3源极和漏极之间的电压，确保IN+即第一PMOS偏置管PM1漏极电压与IN-即第二PMOS管PM2漏极电压电压相同，从而避免由于第一PMOS偏置管PM1与第二PMOS管PM2管漏极电压不同而引起的电流失配。
具体地，电源VDD连接至第一PMOS偏置管PM1的源极和第二PMOS管PM2的源极，第一PMOS偏置管PM1的栅极与漏极短接后连接至第二PMOS管PM2的栅极、第一二极管D1的阴极和运算放大器OPA的同相输入端IN+，第二PMOS管PM2的连接至运算放大器OPA的反相输入端IN-和第三PMOS管PM3的源极，运算放大器OPA的输出Out连接至第三PMOS管PM3的栅极，第三PMOS管PM3的漏极与第二二极管D2的阳极相连组成温度输出Vout节点，第二二极管D2的阴极和第一二极管D1的阳极接地。
本发明的工作原理如下：
在图1中，由第一二极管D1、第一PMOS偏置管PM1组成电流产生电路10；第二二极管D2、第二PMOS管PM2组成温度感应电路20，温度输出Vout为：
Figure BDA0002812482850000041
其中VT为晶体管热电压，
Figure BDA0002812482850000051
k为波耳茨曼常数，q为电子电荷，T为绝对温度，A D 2为二极管截面积，IS反向饱和电流，而流过第二PMOS管PM2的电流I2为
Figure BDA0002812482850000052
上式(2)中V为二极管D1反向偏置电压，当V<-3VT时，上式可以近似为：
I2≈N*AD1*IS (3)
将上式(3)代入公式(1)，公式(1)变为：
Figure BDA0002812482850000053
由此得到一个完全与温度线性的关系的输出电压。
运算放大器OPA与第三PMOS管PM3组成负反馈环路30，调节第三PMOS晶体管PM3源极和漏极之间的电压，确保同相输入端IN+与反相输入端IN-电压相同，从而避免由于第一PMOS偏置管PM1与第二PMOS管PM2漏极端电压不同而引起的电流失配。
综上所述，本发明一种超低功耗CMOS温度感应电路通过利用反馈环调节温度感应电路的第三PMOS管PM3源极和漏极之间的电压，确保第一PMOS偏置管PM1漏极电压与第二PMOS管PM2漏极电压电压相同，从而避免由于第一PMOS偏置管PM1与第二PMOS管PM2管漏极电压不同而引起的电流失配，实现对CMOS温度传感器降低功耗和提高其线性度的目的。
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 (6)

1.一种超低功耗CMOS温度感应电路，包括：
电流产生电路，用于产生温度感应电路所需的参考偏置电流；
温度感应电路，用于在所述参考偏置电流作用下产生与温度成线性关系的温感输出电压；
反馈环路，连接所述电流产生电路及温度感应电路，以避免所述电流产生电路与温度感应电路的失配。
2.如权利要求1所述的一种超低功耗CMOS温度感应电路，其特征在于：所述电流产生电路包括第一二极管和第一PMOS偏置管，所述第一PMOS偏置管的源极连接电源VDD，栅极与漏极短接后连接至所述温度感应电路，并连接所述第一二极管的阴极以及所述反馈环路的一输入端，所述第一二极管阳极接地。
3.如权利要求2所述的一种超低功耗CMOS温度感应电路，其特征在于：所述温度感应电路包括第二二极管和第二PMOS管，所述第二PMOS管源极接电源VDD，栅极连接至所述第一PMOS偏置管短接的栅漏极，漏极接所述反馈环路的另一输入端，所述第二二极管阳极接所述反馈环路输出端组成所述温感输出电压节点，阴极接地。
4.如权利要求3所述的一种超低功耗CMOS温度感应电路，其特征在于：所述反馈环路包括一运算放大器和第三PMOS管，所述运算放大器的一输入端接所述电流产生电路的第一PMOS偏置管的短接的栅漏极，另一输入端连接所述第二PMOS管漏极并连接所述第三PMOS管源极，输出端连接所述第三PMOS管栅极，所述第三PMOS管漏极与所述第二二极管阳极连接组成所述温感输出电压节点。
5.如权利要求4所述的一种超低功耗CMOS温度感应电路，其特征在于：所述运算放大器的同相收入端接所述电流产生电路的第一PMOS偏置管的短接的栅漏极，反相输入端接所述第二PMOS管漏极及所述第三PMOS管源极。
6.如权利要求5所述的一种超低功耗CMOS温度感应电路，其特征在于：调节所述第三PMOS晶体管源极和漏极之间的电压，确保所述运算放大器的同相输入端与反相输入端电压相同，从而避免由于所述第一PMOS偏置管与第二PMOS管漏极端电压不同而引起的电流失配。
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