CN114279595B - 感温电路、基于感温电路的cmos温度传感器及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种感温电路、基于感温电路的CMOS温度传感器及其校准方法，该感温电路包括：充电模块，充电模块的输出端用于与控制开关的第一端连接；放电模块，放电模块的输入端用于与控制开关的第二端连接；施密特触发器，一端连接控制开关，用于根据电压值确定是否触发电平状态转换，以控制控制开关的切换；电容，设置于控制开关与施密特触发器之间，用于储存或释放电荷；输出端口，连接于施密特触发器的另一端，用于输出与温度相关的占空比信号。

Description

感温电路、基于感温电路的CMOS温度传感器及其校准方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其一种感温电路、基于感温电路的CMOS温度传感器及其校准方法。

背景技术

温度传感器被广泛应用于现代工业、医疗、交通、智能家居等领域。随着集成电路快速发展，基于CMOS工艺的集成温度传感器因其易于系统集成、成本低、可直接输出数字信号等优点，受到学术界和工业界的关注。

传统的CMOS集成温度传感器利用三极管基极-发射极电压的温度特性进行感温，以高精度模数转换器(ADC)等作为读出电路，配合动态元件匹配技术、斩波技术等，可以实现高精度测温。但是，传统的CMOS集成温度传感器在先进工艺下设计难度较大、占用面积较大、很难实现超低功耗。这限制了传统CMOS温度传感器在处理器及大型SoC片上热管理、物联网以及无线传感网络等领域中的应用，这些应用环境需要温度传感器具备小面积、低功耗、低电压供电等特性。基于MOS管感温的CMOS温度传感器，利用MOS管迁移率、阈值电压的温度特性感知温度，可以更方便地在CMOS工艺下实现。同时，此类温度传感器通常直接输出频率或者脉宽信号，以基准时钟配合控制逻辑替代高精度ADC来完成数字转换，能够有效节省传感器面积。

因此，基于MOS管感温的CMOS温度传感器更适合于片上热管理、物联网以及无线传感网络等应用领域。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种感温电路、基于感温电路的CMOS温度传感器及其校准方法。

，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

作为本公开的一个方面，公开了一种感温电路，包括：

充电模块，上述充电模块的输出端用于与控制开关的第一端连接；

放电模块，上述放电模块的输入端用于与上述控制开关的第二端连接；

施密特触发器，一端连接上述控制开关，用于根据电压值确定是否触发电平状态转换，以控制上述控制开关的切换；

电容，设置于上述控制开关与上述施密特触发器之间，用于储存或释放电荷；

输出端口，连接于上述施密特触发器的另一端，用于输出与温度相关的占空比信号。

作为本公开的又一方面，还公开了一种CMOS温度传感器，包括：

上述感温电路，适用于输出与充电电流I₁和放电电流I₂相关联的占空比信号X，其中，关联关系包括：

其中，t₁为充电时间，t₂为放电时间，C为电容、V_H和V_L分别为施密特触发器阈值的上限电压和下限电压；

上述关联关系表征所述电流比和温度T之间的关系；

数字处理电路，用于将上述占空比信号X转换为表示温度T的数字信号，并输出上述数字信号。

作为本公开的再一方面，更公开了一种用于上述的CMOS温度传感器校准方法，包括：

通过仿真得到MOS管N1漏极电流的对数与对上述MOS管N1漏极施加的偏压值V_G的关系曲线；

计算上述关系曲线的拐点，将上述拐点对应的电压值V_on设置为上述MOS管N1亚阈值区的下限，将上述MOS管N1的本征值V_TH设置为上述MOS管N1亚阈值区的上限，其中上述V_on的大小通过调整上述MOS管N1的宽长比实现；

通过上述控制开关接通上述充电模块，形成充电回路，上述MOS管N1外接上述偏电压V_G形成上述充电电流I₁；断开上述充电回路，通过上述控制开关接通上述放电模块，形成放电回路，MOS管N4的栅极接地形成上述充电电流I₂，其中，上述MOS管N1和上述MOS管N4均工作在亚阈值区(V_on，V_TH)；

建立上述温度传感器中电流比的对数值ln(I₁/I₂)与1/T的线性关系并验证，校准上述线性关系中的偏置变量。

基于以上技术方案，本公开的一种感温电路、基于感温电路的CMOS温度传感器及其校准方法至少具有如下有益效果之一：

本公开的一种感温电路，利用MOS管工作在亚阈值区时的温度特性进行感温，降低运行功耗；通过电流比技术消除一部分工艺影响。另外，本公开的感温电路结构简单，能够更方便的在先进工艺下实现，具有小面积、低功耗、低校准成本等特点。

本公开的一种基于感温电路的CMOS温度传感器，感温电路仅需搭配数字处理电路即可轻松对占空比信号X中温度T的数字转换，不需要依靠高精度模数转换器进行读数，实现小面积、低功耗、低校准成本等效果。

本公开的一种基于感温电路的CMOS温度传感器的校准方法，经选择并设置偏压值V_G后，使其工作在亚阈值区，利用MOS管亚阈值电流温度特性进行感温，通过电流比技术将常规温度传感器的两个待校准变量转换为一个校准变量，验证校准。该校准方法显著降低了校准成本的消耗，提高了校准精度。

附图说明

图1为根据本公开实施例中的感温电路原理图；

图2为根据本公开实施例中的温度传感原理图；

图3为根据本公开实施例中的感温电路生成的占空比与充电电流I₁和放电电流I₂的波形图；

图4为根据本公开实施例中的MOS管N1漏极电流的对数与对MOS管N1漏极施加的偏压值V_G的关系曲线；

图5为根据本公开实施例中的V_on和MOS管宽长比的关系曲线；

图6为根据本公开实施例中的不同工艺角温度传感器输出的仿真曲线；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

目前，以MOS管感温的CMOS温度传感器尚存在一些不足，MOS管的迁移率和阈值电压都随温度变化，通常，基于MOS管感温的温度传感器的温度特性受工艺影响，与温度相关的一次函数的偏置和斜率两个变量均是未知的，因此需要两点校准，校准成本较大；另外，如果利用MOS管工作在强反型区的温度特性进行感温，传感器的功耗也会随之上升。

基于上述问题，本公开提出了一种感温电路、基于感温电路的CMOS温度传感器及其校准方法，实现了小电流、低功耗的工作方式，同时实现了对CMOS温度传感器的单点校准，提高了校准效率。

图1为根据本公开实施例中的感温电路原理图。

作为本公开的一个方面，结合图1所示，公开了一种感温电路，包括：充电模块、放电模块、电容和输出端口。

在本公开的一个实施例中，上述充电模块的输出端用于与控制开关的第一端连接。上述放电模块的输入端用于与上述控制开关的第二端连接；施密特触发器，一端连接上述控制开关，用于根据电压值确定是否触发电平状态转换，以控制上述控制开关的切换；电容设置于上述控制开关与上述施密特触发器之间，用于储存或释放电荷；输出端口连接于上述施密特触发器的另一端，用于输出与温度相关的占空比信号。

在本公开的一个实施例中，上述控制开关可以包括单刀双掷开关，即与接通上述充电模块时，则上述放电模块即为断路；与接通上述放电模块时，则上述冲电模块即为断路。

在本公开的一个实施例中，上述感温电路的充电模块和放电模块均工作在亚阈值区。

在本公开的一个实施例中，上述充电模块包括：MOS管N1、MOS管N2、MOS管N3以及第一共源共栅电流镜，上述第一共源共栅电流镜还包括MOS管P1、MOS管P2、MOS管P3、MOS管P4；上述MOS管N1的栅极为输入端口，用于为上述充电模块提供电流I₁，上述电流I₁通过上述第一共源共栅电流镜复制到电容的充电回路；上述MOS管N1漏极接地，上述MOS管N1源极与上述第一共源共栅电流镜中的MOS管P2的漏极连接，上述MOS管N3漏极接地，上述MOS管N3源极与上述MOS管N2的漏极连接，以二极管的形式进行连接；上述MOS管N2源极与上述第一共源共栅电流镜中的MOS管P4的漏极连接，上述MOS管N2作为用于导通电路的第三电压控制开关的开关。

在本发明的一个实施例中，在上述控制开关与上述充电模块接通形成通路，上述控制开关与上述放电模块断开形成断路，上述MOS管N2处于截止状态的情况下，上述充电模块和上述电容形成充电回路，上述电容充电，上述充电电流为I₁。

在本发明的一个实施例中，上述放电模块包括：MOS管N4、MOS管P9、MOS管P10、第二共源共栅电流镜以及第三共源共栅电流镜；上述第二共源共栅电流镜还包括MOS管P5、MOS管P6、MOS管P7、MOS管P8，上述第二共源共栅电流镜还包括MOS管N5、MOS管N6、MOS管N7、MOS管N8；上述MOS管N4漏极接地，上述MOS管N4的栅极为输入端口，用于为放电模块提供电流I₂；上述MOS管N4源极与上述第二共源共栅电流镜中的一个MOS管的漏极连接，上述第二共源共栅电流镜中的MOS管P8的漏极连接与上述第三共源共栅电流镜中的MOS管N5的源极连接，上述第三共源共栅电流镜中的MOS管N7的源极与上述MOS管P10的漏极连接，上述MOS管P10的源极与上述MOS管P9连接,上述MOS管P10作为用于导通电路的第四电压控制开关；上述MOS管P9为二极管的连接形式。

在本发明的一个实施例中，在上述控制开关与上述放电模块接通形成通路，上述控制开关与上述充电模块断开形成断路，上述MOS管P10处于截止状态的情况下，上述放电模块和上述电容形成放电回路，上述电容放电，放电电流为I₂。

图3为根据本公开实施例中的感温电路生成的占空比与充电电流I₁和放电电流I₂的波形图。

根据本公开的上述实施例，结合图1～图3所示，上述MOS管N1通过外接偏置电压形成充电电流I₁，MOS管N4栅极接地形成放电电流I₂。上述MOS管N1和上述MOS管N4均工作在亚阈值区，因此充电电流I₁和放电电流I₂为亚阈值电流，且充电电流I₁始终大于放电电流I₂。

充电电流I₁通过MOS管P1～MOS管P4复制到上述电容的充电回路；电流I₂通过MOS管P5～MOS管P8、MOS管N5～MOS管N8复制到电容的放电回路。MOS管P1～MOS管P4、MOS管P5～MOS管P8、MOS管N5～MOS管N8组成共源共栅电流镜，因此，MOS管P1和MOS管P3、MOS管P2和MOS管P4、MOS管P5和MOS管P7、MOS管P6和MOS管P8、MOS管N5和MOS管N7、MOS管N6和MOS管N8的尺寸均两两相同。

若传感器初始状态为低电平，上述控制开关与上述充电模块连通、与上述放电模块断开的同时，上述MOS管N2处于截止状态，上述MOS管P10处于导通状态，此时，上述MOS管P3、上述MOS管P4和上述电容形成充电回路，上述电容充电，充电电流为I₁，节点A的电压V_A上升。P9为N7、N8提供导通路径来维持其电流，准备为下一状态使用。当节点A的电压V_A达到施密特触发器的正向阈值电压V_H后，翻转为高电平，进入下一状态。

高电平状态下，上述控制开关与上述放电模块连通、与上述充电模块断开的同时，上述MOS管P10处于截止状态，上述MOS管N2处于导通状态，此时，上述MOS管N7、上述MOS管N8和上述电容形成放电回路，上述电容放电，放电电流为I₂，节点A的电压V_A下降。上述MOS管N3为上述MOS管P3、上述MOS管P4提供导通路径来维持其电流，准备为翻转为下一状态使用。当节点A的电压下降至施密特触发器的反向阈值电压V_L后，再翻转为低电平，回到充电状态。

当充、放电状态反复进行，由于充、放电电流不同，可以分别得出充电时间t₁与充电电流I₁、放电时间t₂与放电电流I₂的关联关系，进而建立上述占空比信号X与上述充电电流I₁和上述放电电流I₂的关系，最终获得空比信号X与温度T的关系。

本公开实施例中的感温电路，利用MOS管工作在亚阈值区时的温度特性进行感温，降低运行功耗；通过电流比技术消除一部分工艺影响。另外，本公开的感温电路结构简单，能够更方便的在先进工艺下实现，具有小面积、低功耗、低校准成本等特点。

在本公开的一个实施例中，上述占空比信号X与上述充电电流I₁和上述放电电流I₂的关系包括：

在本公开的一个实施例中，上述温度传感器中电流比的对数值ln(I₁/I₂)与1/T的线性关系包括：

其中，

为MOS管N1的宽长比，

为MOS管N4的宽长比，Δp为工艺残余项，η为亚阈值斜率因子，V_G为在电流源N1施加的偏压值，q是电子的电荷量，k为玻耳兹曼常数，T为温度，ΔV_TH为MOS管N1与MOS管N4的管阈值电压差，T₀为参考温度。

在本公开的一个实施例中，上述充电电流为I₁的关系式为：

其中，V_TH1为MOS管N1的管阈值电压，C_ox为单位面积的栅氧化层电容，μ为载流子迁移率。

在本公开的一个实施例中，上述放电电流为I₂的关系式为：

其中，V_TH2为MOS管N2的管阈值电压。

在本公开的一个实施例中，上述充电时间t₁与上述充电电流I₁的关联关系包括：

其中，V_H为正向阈值电压，V_L为反向阈值电压。

在本公开的一个实施例中，上述放电时间t₂与上述放电电流I₂的关联关系包括：

在本公开的一个实施例中，上述热电压V_T与上述温度T的关系包括：

作为本公开的又一方面，结合图1～图2所示，还公开了一种CMOS温度传感器，包括：上述感温电路以及数字处理电路。

上述感温电路适用于输出与充电电流I₁和放电电流I₂相关联的占空比信号X；上述关联关系表征所述电流比和温度T之间的关系，上述数字处理电路用于将上述占空比信号X转换为表示温度T的数字信号，并输出上述数字信号。

本公开实施例中的基于感温电路的CMOS温度传感器，不需要依靠高精度模数转换器进行读数，仅搭配数字处理电路即可轻松对占空比信号X中温度T的数字转换，实现小面积、低功耗、低校准成本等效果。

图4为根据本公开实施例中的MOS管N1漏极电流的对数与对MOS管N1漏极施加的偏压值V_G的关系曲线。

作为本公开的再一方面，更公开了一种用于上述的CMOS温度传感器校准方法，包括：

通过仿真得到MOS管N1漏极电流的对数与对上述MOS管N1漏极施加的偏压值V_G的关系曲线，如图4所示，计算上述关系曲线的拐点，将上述拐点对应的电压值V_on设置为上述MOS管N1亚阈值区的下限，将上述MOS管N1的本征值V_TH设置为上述MOS管N1亚阈值区的上限，其中上述V_on的大小通过调整上述MOS管N1的宽长比实现。

图5为根据本公开实施例中的V_on和MOS管宽长比的关系曲线。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，上述V_on的大小通过调整上述MOS管N1的宽长比实现包括，通过仿真获得不同MOS管宽长比对V_on的影响，增大上述MOS管N1的宽长比的比值以缩小上述V_on的取值，进而增加VG的选择范围。

通过上述控制开关接通上述充电模块，形成充电回路，上述MOS管N1外接上述偏电压V_G形成上述充电电流I₁；断开上述充电回路，通过上述控制开关接通上述放电模块，形成放电回路，MOS管N4的栅极接地形成上述充电电流I₂，上述MOS管N1和上述MOS管N4均工作在亚阈值区(V_on，V_TH)，用于实现小电流、低功耗的电路运行模式。

建立上述温度传感器中电流比的对数值ln(I₁/I₂)与1/T的线性关系(即关系式(3))，此时，

的系数的各项参数均与上述温度T无关，偏置变量

是唯一需要修正的单一变量，在建立该线性关系时，应增大MOS管N4的宽长比，使上述关系式(5)更加接近上述关系式(4)。

验证上述线性关系。

图6为根据本公开实施例中的不同工艺角温度传感器输出的仿真曲线。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，在不同工艺角下通过仿真获得输出曲线，对比上述输出曲线的斜率的一致性，各曲线的斜率代表上述关系式(3)中

的系数，斜率一致则代表与上述系数无关，表明上述偏置变量是唯一的待校准变量。

在本发明的一个实施例中，上述偏置变量为工艺变量，包括：上述MOS管N1的宽长比；上述MOS管N4的宽长比；以及工艺残余项。

校准上述线性关系中的偏置变量，校准方式包括将上述工艺变量统一为和工艺无关的参量。

本公开实施例中的校准方法，选择并设置偏压值V_G，使得工作电路工作在亚阈值区，利用MOS管亚阈值电流温度特性进行感温，通过电流比技术将常规温度传感器的两个待校准变量转换为一个校准变量，显著降低了校准成本的消耗，提高了校准精度。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种感温电路，包括：

充电模块，所述充电模块的输出端用于与控制开关的第一端连接；

放电模块，所述放电模块的输入端用于与所述控制开关的第二端连接；

施密特触发器，一端连接所述控制开关，用于根据电压值确定是否触发电平状态转换，以控制所述控制开关的切换；

电容，设置于所述控制开关与所述施密特触发器之间，用于储存或释放电荷；

输出端口，连接于所述施密特触发器的另一端，用于输出与温度相关的占空比信号，

其中，所述充电模块包括：

MOS管N1、MOS管N2、MOS管N3以及第一共源共栅电流镜；

所述MOS管N1漏极接地，所述MOS管N1源极与所述第一共源共栅电流镜中的一个MOS管的漏极连接，所述MOS管N3漏极接地，所述MOS管N3源极与所述MOS管N2的漏极连接，所述MOS管N2源极与所述第一共源共栅电流镜中的另一个MOS管的漏极连接；

所述MOS管N1的栅极为输入端口，用于为所述充电模块提供电流I₁；

所述MOS管N2作为用于导通电路的第三电压控制开关的开关；

所述MOS管N3为二极管的连接形式；

所述电流I₁通过所述第一共源共栅电流镜复制到所述电容的充电回路，

其中，在所述控制开关与所述充电模块接通形成通路，所述控制开关与所述放电模块断开形成断路，所述MOS管N2处于截止状态的情况下，所述充电模块和所述电容形成充电回路，所述电容充电，充电电流为I₁。

2.根据权利要求1所述的感温电路，其中，所述放电模块包括：

MOS管N4、MOS管P9、MOS管P10、第二共源共栅电流镜以及第三共源共栅电流镜；

所述MOS管N4漏极接地，所述MOS管N4源极与所述第二共源共栅电流镜中的一个MOS管的漏极连接，所述第二共源共栅电流镜中的另一个MOS管的漏极连接与所述第三共源共栅电流镜中的一个MOS管的源极连接，所述第三共源共栅电流镜中的另一个MOS管的源极与所述MOS管P10的漏极连接，所述MOS管P10的源极与所述MOS管P9连接；

所述MOS管N4的栅极为输入端口，用于为放电模块提供电流I₂；

所述MOS管P9为二极管的连接形式；

所述MOS管P10作为用于导通电路的第四电压控制开关；

其中，在所述控制开关与所述放电模块接通形成通路，所述控制开关与所述充电模块断开形成断路，所述MOS管P10处于截止状态的情况下，所述放电模块和所述电容形成放电回路，所述电容放电，放电电流为I₂。

3.一种CMOS温度传感器，包括：

根据权利要求1-2任一项所述感温电路，适用于输出与充电电流I₁和放电电流I₂相关联的占空比信号X，其中，关联关系包括：

其中，t₁为充电时间，t₂为放电时间，C为电容、V_H和V_L分别为施密特触发器阈值的上限电压和下限电压；

所述关联关系表征所述电流比和温度T之间的关系；

数字处理电路，用于将所述占空比信号X转换为表示温度T的数字信号，并输出所述数字信号。

4.一种用于权利要求3所述的CMOS温度传感器校准方法，包括：

通过仿真得到MOS管N1漏极电流的对数与对所述MOS管N1漏极施加的偏压值V_G的关系曲线；

计算所述关系曲线的拐点，将所述拐点对应的电压值V_on设置为所述MOS管N1亚阈值区的下限，将所述MOS管N1的本征值V_TH设置为所述MOS管N1亚阈值区的上限，其中所述V_on的大小通过调整所述MOS管N1的宽长比实现；

通过所述控制开关接通所述充电模块，形成充电回路，所述MOS管N1外接偏压值V_G形成所述充电电流I₁；断开所述充电回路，通过所述控制开关接通所述放电模块，形成放电回路，MOS管N4的栅极接地形成所述充电电流I₂，其中，所述MOS管N1和所述MOS管N4均工作在亚阈值区(V_on，V_TH)；

建立所述温度传感器中电流比的对数值ln(I₁/I₂)与1/T的线性关系并验证，校准所述线性关系中的偏置变量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述Von的大小通过调整所述MOS管N1的宽长比实现包括，增大所述MOS管N1的宽长比的比值以缩小所述V_on的取值，进而增加偏压值V_G的选择范围。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述线性关系包括：

其中，

为MOS管N1的宽长比，

为MOS管N4的宽长比，Δp为工艺残余项，η为亚阈值斜率因子，V_G为在电流源N1施加的偏压值，q是电子的电荷量，k为玻耳兹曼常数，T为温度，ΔV_TH为MOS管N1与MOS管N4的管阈值电压差，T₀为参考温度。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述验证的方式包括，在不同工艺角下通过仿真获得输出曲线，对比所述输出曲线的斜率的一致性。

8.根据权利要求4所述的CMOS温度传感器校准方法，其中，所述偏置变量为工艺变量，包括：

所述MOS管N1的宽长比；

所述MOS管N4的宽长比；以及

工艺残余项；

其中校准方式包括将所述工艺变量统一为和工艺无关的参量。

9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述充电电流I₁的关系式包括：

其中，所述C_ox为单位面积的栅氧化层电容，μ为载流子迁移率，V_T为热电压，V_TH1为MOS管N1的管阈值电压；其中，所述放电电流I₂的关系式包括：

其中，V_TH2为MOS管N4的管阈值电压；

其中，在建立所述线性关系时，增大MOS管N4的宽长比。

Images