CN113008410A - 用于集成电路的温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于集成电路的温度传感器，包括用于转换温度信息的电流源、用于接收电流并输出脉冲信号的电流频率转换器以及用于接收脉冲信号并转化为数字编码的计数器，脉冲信号的频率与电流大小成正比，电流源和电流频率转换器外接输入参考电压VREF，电流源的输出端与电流频率转换器的输入端信号连接，电流频率转换器的输出端与计数器的输入端信号连接，计数器输出温度编码。本发明通过电流频率转换器将电流转化成频率与电流成正比的脉冲信号，通过计数器将脉冲信号转化为数字编码，得到与绝对温度成线性关系的数字输出，提高了PTAT的线性度，进而提高了该传感器的精度，具有电路结构简单可靠，操作便捷等诸多优点。

Description

用于集成电路的温度传感器
技术领域
本发明涉及一种温度传感器，具体涉及用于集成电路的温度传感器。
背景技术
近年来，温度传感是所有计算机系统和集成电路一个重要特征，广泛分布用于不同的场景，如温度测量或者监测、热管理、温度漂移补偿和智能传感器。一个微处理器包含了数十个或更多的传感器，在计算力需求不断增长的推动下，随着每年核数的增加，芯片中温度传感器的数量也不断增加。
温度传感也是物联网的典型应用。由于许多适合物联网应用的小型能源采集器可以产生亚微米的功率水平，例如来自光伏、热电发电机、生物燃料电池和压电电源，因此需要设计一种使其能够有效降低至较低功率水平的低功耗温度传感器，而且是最好能快速温度转换的数字传感器，占用面积小。
目前采用基于MOSFET亚阈值电流的温度传感是实现超低耗工作的一种有效方法，但是与基于BJT的温度传感器相比，这些温度传感器的精度往往偏低，因为它们使用了亚阈值MOSFET的非线性特性，需要额外地在片外进行非线性拟合处理；即使是不需要非线性拟合的基于亚热漏极电压温度传感器，-20～80℃范围内的相对误差仍然在2％以上。此外，虽然基于栅漏的温度传感器也能实现低能量下工作，但栅漏电源的运用受到制造工艺的限制。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供用于集成电路的温度传感器，避免后加工处理或片外校准，实现对集成电路高精度的温度测量。
技术方案：一种用于集成电路的温度传感器，包括用于转换温度信息的电流源、用于接收电流并输出脉冲信号的电流频率转换器CFC以及用于接收脉冲信号并转化为数字编码的计数器，脉冲信号的频率与电流大小成正比，电流源和电流频率转换器CFC外接输入参考电压VREF，电流源的输出端与电流频率转换器CFC的输入端信号连接，电流频率转换器CFC的输出端与计数器的输入端信号连接，计数器输出温度编码。
进一步地，电流源的电路包括40个PMOS晶体管、20个STV NMOS晶体管、2个ATVNMOS晶体管、运算放大器、反馈NMOS晶体管MNF，
其中：每一个PMOS晶体管的栅极与漏极并接，源极与其衬底并接；第一PMOS晶体管MP1的源极与第二PMOS晶体管MP2的漏极连接，40个PMOS晶体管依次串联组成分压器；第一PMOS晶体管MP1的漏极与地连接；第四十PMOS晶体管MP40的源极与外部输入参考电压VREF连接；
每一个STV NMOS晶体管的源极与其衬底并接，栅极与序号加二十对应的PMOS晶体管的漏极连接，直至第二十STV NMOS晶体管MNS20的栅极与第四十PMOS晶体管MP40的漏极连接；第一STV NMOS晶体管MNS1的漏极与第二STV NMOS晶体管MNS2的源极连接，20个STV NMOS晶体管依次串联；第一STV NMOS晶体管MNS1的源极与地连接；第二十STV NMOS晶体管MNS20的漏极与运算放大器的负极输入端相连接；
第一ATV NMOS晶体管MNA1的栅极与第二十一PMOS晶体管MP21的漏极相连接；第一ATV NMOS晶体管MNA1的源极与其衬底并接后与地连接；第二ATV NMOS晶体管MNA2的栅极与第四十PMOS晶体管MP40的源极相连接；第二ATV NMOS晶体管MNA2的源极与其衬底并接后与第一ATVNMOS晶体管MNA1的漏极连接；
运算放大器的正极输入端与第二十PMOS晶体管MP20的源极连接；运算放大器的输出端与反馈NMOS晶体管MNF的栅极连接；反馈NMOS晶体管MNF的源极与其衬底并接后与第二十STV NMOS晶体管MNS20的漏极连接。
进一步地，反馈NMOS晶体管MNF的漏极作为电流源的输出端I1；第二ATV NMOS晶体管MNA2的漏极作为电流源的输出端I2。
进一步地，每个STV NMOS晶体管的源漏电压VDS-STV满足
Figure BDA0002956083780000021
Figure BDA0002956083780000022
是相等的亚阈值电压0.025VREF；每个串联的ATV NMOS晶体管的源漏电压VDdS-A＝20VDS-STV＝0.5VREF，输出稳定的电流I2；通过调整外部输入的参考电压VREF，使VDS-STV＝0.025VREF<UT，VDS-ATV＝0.5VREF>3UT，热电压UT＝kT/q，27℃下为26mV，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为基本电荷量，在该条件下
Figure BDA0002956083780000023
由此实现I1和I2的比值与绝对温度成线性关系的技术效果。
进一步地，电流频率转换器包括电源VCC、第一电流镜PMOS晶体管MPM1、第二电流镜PMOS晶体管MPM2，第一晶体管开关SW1、第二晶体管开关SW2、开关电容CSC、输入电容CIN-、输出电容COUT、亚阈值运算放大器、压控振荡器，
其中：电源VCC、第一电流镜PMOS晶体管MPM1和第二电流镜PMOS晶体管MPM2共同组成电流镜电路，使得输入电容CIN-接入与输入电流I相等的电流；第一晶体管开关SW1和第二晶体管开关SW2的控制端分别接入压控振荡器正相输出端ΦOUT和反相输出端
Figure BDA0002956083780000031
连同开关电容CSC一起等效为电阻值随输出频率F增大而递减的电阻；该等效电阻和亚阈值运算放大器、输出电容COUT、压控振荡器一起组成负反馈电路，稳定输出频率F，通过增大闭环增益得到
Figure BDA0002956083780000032
实现输出频率F与输入电流I成正比；
其中：第一电流镜PMOS晶体管MPM1的栅极分别与其漏极、与第二电流镜PMOS晶体管MPM2的栅极、前级的电流源输出端相连；第一电流镜PMOS晶体管MPM1的源极与电源VCC相连接；第二电流镜PMOS晶体管MPM2的源极与电源VCC相连接；第二电流镜PMOS晶体管MPM2的漏极与亚阈值运算放大器的负极输入端、输入电容CIN-的上极板、第一晶体管开关SW1的上端相连接；
亚阈值运算放大器的正极输入端与外部电压参考信号VREF相连接；亚阈值运算放大器的输出端与压控振荡器的输入端、输出电容COUT的上极板相连接；压控振荡器的正相输出端ΦOUT与第一晶体管开关SW1的控制端相连接；压控振荡器的反相输出端
Figure BDA0002956083780000033
与第二晶体管开关SW2的控制端相连接；第二晶体管开关SW2的上端与第一晶体管开关SW1的下端、开关电容CSC的上极板相连接；输入电容CIN-的下极板、开关电容CSC的下极板、第二晶体管开关SW2的下端、输出电容COUT的下极板与地相连接；亚阈值运算放大器的输出端输出脉冲信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：本发明采用基于亚热漏极电压稳定的电流源，使电流比具有高PTAT特性，并使用电流频率转换器将电流转化成频率与电流成正比的脉冲信号，通过计数器将脉冲信号转化为数字编码，得到与绝对温度成线性关系的数字输出，提高PTAT的线性度，进而提高了该传感器的精度，适用温度范围能够覆盖商用范围-20～80℃；电路结构简单，功能可靠，适用场景广泛。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意框图；
图2是本发明中电流源的电路图；
图3是本发明中电流频率转换器的电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明将电流源的NMOS晶体管的源漏电压稳定在亚阈值电压范围内，由此输出比值与绝对温度成线性关系的两组电流，通过两个相同的电流频率转换器CFC得到与对应电流成正比的频率，由计数器对该组频率计数，进而得到与绝对温度成线性关系的编码。
如图1所示，本发明设计了一种用于集成电路的温度传感器，包括用于转换温度信息的电流源、用于转换电流并输出脉冲信号的电流频率转换器CFC以及用于接收脉冲信号并转化为数字编码的计数器，脉冲信号的频率与电流大小成正比，电流源、电流频率转换器CFC外接输入参考电压VREF，电流源采用亚热漏极电压稳定，其输出端电流I1和I2的比值与绝对温度成高度线性关系，且分别与两个相同的电流频率转换器CFC的输入端信号连接，两个电流频率转换器CFC输出频率与电流I1和I2大小成正比的脉冲信号F1和F2，并与计数器的输入端信号连接，计数器由脉冲信号F1和F2触发计数并输出温度编码。
本发明设计的亚热漏极电压稳定的电流源电路，如图2所示：包括40个PMOS晶体管、20个STV NMOS晶体管、2个ATV NMOS晶体管、运算放大器、反馈NMOS晶体管MNF，其中：40个串联的PMOS晶体管作为分压器将外部输入参考电压VREF平均分压；运算放大器、反馈NMOS晶体管MNF、20个STV NMOS晶体管和20个PMOS晶体管共同组成负反馈环路，使得每个STV NMOS晶体管的源漏电压是相等的亚阈值电压0.025VREF，从而输出稳定的亚阈值电流I1；2个串联的ATV NMOS晶体管具有相同的栅漏电压0.5VREF，输出稳定的电流I2；由此方案实现I1和I2的比值与绝对温度成线性关系；
其中：每一个PMOS晶体管的栅极与漏极并接，源极与其衬底并接；第一PMOS晶体管MP1的源极与第二PMOS晶体管MP2的漏极连接，40个PMOS晶体管依次串联组成分压器；第一PMOS晶体管MP1的漏极与地连接；第四十PMOS晶体管MP40的源极与外部输入参考电压VREF连接；
每一个STV NMOS晶体管的源极与其衬底并接，栅极与序号加二十对应的PMOS晶体管的漏极连接，第二十STV NMOS晶体管MNS20的栅极与第四十PMOS晶体管MP40的漏极连接；第一STV NMOS晶体管MNS1的漏极与第二STV NMOS晶体管MNS2的源极连接，20个STV NMOS晶体管依次串联；第一STV NMOS晶体管MNS1的源极与地连接；第二十STV NMOS晶体管MNS20的漏极与运算放大器的负极输入端相连接；
第一ATV NMOS晶体管MNA1的栅极与第二十一PMOS晶体管MP21的漏极相连接；第一ATV NMOS晶体管MNA1的源极与其衬底并接后与地连接；第二ATV NMOS晶体管MNA2的栅极与第四十PMOS晶体管MP40的源极相连接；第二ATV NMOS晶体管MNA2的源极与其衬底并接后与第一ATVNMOS晶体管MNA1的漏极连接；第二ATV NMOS晶体管MNA2的漏极作为电流源的输出端I2；
运算放大器的正极输入端与第二十PMOS晶体管MP20的源极连接；运算放大器的输出端与反馈NMOS晶体管MNF的栅极连接；反馈NMOS晶体管MNF的源极与其衬底并接后与第二十STV NMOS晶体管MNS20的漏极连接；反馈NMOS晶体管MNF的漏极作为电流源的输出端I1。
电流频率转换器如图3所示：包括电源VCC、第一电流镜PMOS晶体管MPM1、第二电流镜PMOS晶体管MPM2，第一晶体管开关SW1、第二晶体管开关SW2、开关电容CSC、输入电容CIN-、输出电容COUT、亚阈值运算放大器、压控振荡器，其中：电源VCC、第一电流镜PMOS晶体管MPM1和第二电流镜PMOS晶体管MPM2共同组成电流镜电路，使得输入电容CIN-接入与电流源I相等的电流；第一晶体管开关SW1和第二晶体管开关SW2的控制端分别接入压控振荡器正相输出端ΦOUT和反相输出端
Figure BDA0002956083780000051
连同开关电容CSC一起等效为电阻值随输出频率F增大而递减的电阻；该等效电阻和亚阈值运算放大器、输出电容COUT、压控振荡器一起组成负反馈环路，稳定输出频率F，通过增大闭环增益得到
Figure BDA0002956083780000052
实现输出频率F与输入电流I成正比；
其中：第一电流镜PMOS晶体管MPM1的栅极与第二电流镜PMOS晶体管MPM2的栅极、第一电流镜PMOS晶体管MPM1的漏极、该电流频率转换器的输入I端相连接；第一电流镜PMOS晶体管MPM1的源极与电源VCC相连接；第二电流镜PMOS晶体管MPM2的源极与电源VCC相连接；第二电流镜PMOS晶体管MPM2的漏极与亚阈值运算放大器的负极输入端、输入电容CIN-的上极板、第一晶体管开关SW1的上端相连接；
亚阈值运算放大器的正极输入端与外部电压参考信号VREF相连接；亚阈值运算放大器的输出端与压控振荡器的输入端、输出电容COUT的上极板相连接；压控振荡器的正相输出端ΦOUT与第一晶体管开关SW1的控制端相连接；压控振荡器的反相输出端
Figure BDA0002956083780000061
与第二晶体管开关SW2的控制端相连接；第二晶体管开关SW2的上端与第一晶体管开关SW1的下端、开关电容CSC的上极板相连接；地与输入电容CIN-的下极板、开关电容CSC的下极板、第二晶体管开关SW2的下端、输出电容COUT的下极板相连接。
计数器逻辑模块由Verilog代码编写后生成，与两个电流频率转换器CFC的输出端F1和F2接入。其中：为脉冲信号F1设定计数的阈值，在对F1计满一次阈值后锁存输出当前F2的计数值，以此方案实现输出编码与F1和F2比值成正比。并且，F1和F2通过电流频率转换器分别与I1和I2成正比，I1和I2的比值在设计的电流源中与绝对温度成高度线性关系，实现输出编码与绝对温度成线性关系。

Claims (5)

1.一种用于集成电路的温度传感器，其特征在于：包括用于转换温度信息的电流源、用于接收电流并输出脉冲信号的电流频率转换器CFC以及用于接收脉冲信号并转化为数字编码的计数器，所述脉冲信号的频率与电流大小成正比，所述电流源和电流频率转换器CFC外接输入参考电压VREF，所述电流源的输出端与电流频率转换器CFC的输入端信号连接，所述电流频率转换器CFC的输出端与计数器的输入端信号连接，所述计数器输出温度编码。
2.根据权利要求1所述的一种用于集成电路的温度传感器，其特征在于：所述电流源的电路包括40个PMOS晶体管、20个STV NMOS晶体管、2个ATV NMOS晶体管、运算放大器、反馈NMOS晶体管MNF，
其中：每一个PMOS晶体管的栅极与漏极并接，源极与其衬底并接；第一PMOS晶体管MP1的源极与第二PMOS晶体管MP2的漏极连接，40个PMOS晶体管依次串联组成分压器；第一PMOS晶体管MP1的漏极与地连接；第四十PMOS晶体管MP40的源极与外部输入参考电压VREF连接；
每一个STV NMOS晶体管的源极与其衬底并接，栅极与序号加二十对应的PMOS晶体管的漏极连接，直至第二十STV NMOS晶体管MNS20的栅极与第四十PMOS晶体管MP40的漏极连接；第一STV NMOS晶体管MNS1的漏极与第二STV NMOS晶体管MNS2的源极连接，20个STV NMOS晶体管依次串联；第一STV NMOS晶体管MNS1的源极与地连接；第二十STV NMOS晶体管MNS20的漏极与运算放大器的负极输入端相连接；
第一ATV NMOS晶体管MNA1的栅极与第二十一PMOS晶体管MP21的漏极相连接；第一ATVNMOS晶体管MNA1的源极与其衬底并接后与地连接；第二ATV NMOS晶体管MNA2的栅极与第四十PMOS晶体管MP40的源极相连接；第二ATV NMOS晶体管MNA2的源极与其衬底并接后与第一ATVNMOS晶体管MNA1的漏极连接；
运算放大器的正极输入端与第二十PMOS晶体管MP20的源极连接；运算放大器的输出端与反馈NMOS晶体管MNF的栅极连接；反馈NMOS晶体管MNF的源极与其衬底并接后与第二十STVNMOS晶体管MNS20的漏极连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于集成电路的温度传感器，其特征在于：所述反馈NMOS晶体管MNF的漏极作为电流源的输出端I1；第二ATV NMOS晶体管MNA2的漏极作为电流源的输出端I2。
4.根据权利要求2所述的一种用于集成电路的温度传感器，其特征在于：每个STV NMOS晶体管的源漏电压为0.025VREF；每个ATV NMOS晶体管的源漏电压为0.5VREF。
5.根据权利要求1所述的一种用于集成电路的温度传感器，其特征在于：所述电流频率转换器包括电源VCC、第一电流镜PMOS晶体管MPM1、第二电流镜PMOS晶体管MPM2，第一晶体管开关SW1、第二晶体管开关SW2、开关电容CSC、输入电容CIN-、输出电容COUT、亚阈值运算放大器、压控振荡器，
其中：第一电流镜PMOS晶体管MPM1的栅极分别与其漏极、与第二电流镜PMOS晶体管MPM2的栅极、前级的电流源输出端相连；第一电流镜PMOS晶体管MPM1的源极与电源VCC相连接；第二电流镜PMOS晶体管MPM2的源极与电源VCC相连接；第二电流镜PMOS晶体管MPM2的漏极与亚阈值运算放大器的负极输入端、输入电容CIN-的上极板、第一晶体管开关SW1的上端相连接；
亚阈值运算放大器的正极输入端与外部电压参考信号VREF相连接；亚阈值运算放大器的输出端与压控振荡器的输入端、输出电容COUT的上极板相连接；压控振荡器的正相输出端ΦoUT与第一晶体管开关SW1的控制端相连接；压控振荡器的反相输出端
Figure FDA0002956083770000021
与第二晶体管开关SW2的控制端相连接；第二晶体管开关SW2的上端与第一晶体管开关SW1的下端、开关电容CSC的上极板相连接；输入电容CIN-的下极板、开关电容CSC的下极板、第二晶体管开关SW2的下端、输出电容COUT的下极板与地相连接；亚阈值运算放大器的输出端输出所述的脉冲信号。
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