CN115437447B - 一种带低温漏电补偿的mos管温度传感器 - Google Patents

一种带低温漏电补偿的mos管温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明属于模拟集成电路领域，涉及集成电路中的温度传感器，具体为一种带低温漏电补偿的MOS管温度传感器。本发明利用亚阈值区工作的MOS管进行感温，减小电路的功耗；并通过设定第一MOS管M1和第二MOS管M2类型一致，且M1的宽长比远大于M2的宽长比，从而保证输出电流的量级，实现低温补偿模块补偿MOS管的低温漏电，提高了低温下的感温线性度，从而拓宽了MOS管温度传感器的感温范围。本发明电路的结构简单，降低了面积，工作温度范围大，有利于集成在芯片的功能模块内部。

Description

一种带低温漏电补偿的MOS管温度传感器
技术领域
本发明属于模拟集成电路领域，涉及集成电路中的温度传感器，具体为一种带低温漏电补偿的MOS管温度传感器。
背景技术
温度作为环境变量，对电子元器件的工作状态影响很大，因此，在不同温度下，需要对系统的工作状态进行调整，如调整系统的工作电流、工作频率和电源电压。温度传感器是将温度信号转换为系统可识别的电信号，与芯片外部的温度传感器有所不同，芯片集成的温度传感器可直接获取芯片内部的温度。
传统温度传感器的体积较大，以及它的生产方式决定了不能集成在芯片中。在先进半导体工艺技术的发展下，集成电路温度传感器的性能逐步提升，以其体积小的优势，可集成在芯片内部，从而可以将芯片内部热管理进一步精细化。集成在芯片内部的温度传感器的工作温度范围与芯片设计温度一样，但随着集成电路领域的发展，芯片应用领域更广，工作温度更加宽，这对集成在芯片内部的温度传感器提出更高的要求：感温范围大，面积小，功耗低等。
集成电路温度传感器主要包括：电阻型温度传感器，双极型晶体管温度传感器，MOS管温度传感器。双极型温度传感器通常需要模数转换器和高于1V的电源电压，功耗高。电阻型温度传感器相比双极型温度传感器功耗低，但是需要更大的面积。MOS管温度传感器具有功耗低，面积小和低电源电压的优势，但是MOS管温度传感器在低温下存在漏电问题，这会导致MOS管温度传感器在低温下感温线性度变差。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有集成电路温度传感器在功耗、面积、低温下感温线性度的问题，本发明提供了一种带低温漏电补偿的MOS管温度传感器，在保证功耗低的前提下，提升了其在低温下的感温线性度。
一种带低温漏电补偿的MOS管温度传感器，包括：感温模块、低温补偿模块、电流减法模块和输出模块。
所述感温模块为第一MOS管M1，第一MOS管M1产生与温度相关的电流信号I1。
所述低温补偿模块为第二MOS管M2，第二MOS管M2产生与温度相关的电流信号I2。其中，第一MOS管M1和第二MOS管M2类型一致，且第一MOS管M1的宽长比远大于第二MOS管M2的宽长比，使得电流信号I1和电流信号I2不同。
所述电流减法模块包括第一电流镜和第二电流镜，第一电流镜由第三MOS管M3和第四MOS管M4构成，复制第一MOS管M1产生的电流信号I1；第二电流镜由第五MOS管M5和第六MOS管M6构成，复制第二MOS管M2产生的电流信号I2。通过第一电流镜和第二电流镜2个结构将电流信号I1和电流信号I2相减后，并从第三MOS管M3的漏极输出。
所述感温模块、低温补偿模块和电流减法模块的所有MOS管均工作在亚阈值区。
所述输出模块包括电流频率转换器和频率比值量化器。
电流频率转换器的输入端接第三MOS管M3的漏极，接收M3输出的电流信号，并产生频率信号输出到频率比值量化器；
频率比值量化器的输入端分别接收电流频率转换器输入的频率信号，和外接参考时钟信号输入的频率信号，并计算产生这两个频率信号的比值信号，该比值信号即为整个带低温漏电补偿的MOS管温度传感器的输出信号。
进一步的，若电流减法模块的MOS管的源端和衬底接入地，则MOS管需使用NMOS；若电流减法模块的MOS管的源端和衬底接入电源，则MOS管需使用PMOS。感温模块、低温补偿模块所使用MOS管的种类需与电流减法模块相同。
进一步的，所述第二MOS管M2的宽长比、Finger和版图做进一步调节，使得IM1＞＞IM2更优，从而保证电流减法模块输出电流信号的量级更优，IM1为M1的漏源电流，IM2为M2的漏源电流。
综上所述，本发明利用亚阈值区工作的MOS管进行感温，减小了电路的功耗；通过调节第二MOS管M2的宽长比、Finger和版图，第一MOS管的宽长比远大于第二MOS的宽长比，从而保证输出电流的量级，进行低温漏电补偿，提高了低温下的感温线性度，从而拓宽了MOS管温度传感器的感温范围；利用MOS管的亚阈值电流产生随温度变化的电流信号，电路的结构简单，降低了面积，工作温度范围大，有利于集成在芯片的功能模块内部。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为实施例的部分电路结构示意图。
图3为实施例的输出电流与温度关系的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例提供的带低温漏电补偿的MOS管温度传感器，包括感温模块、低温补偿模块、电流减法模块和输出模块，共计四个部分。
所述感温模块为第一MOS管M1，M1产生与温度相关的电流信号I1。所述低温补偿模块为第二MOS管M2，M2产生与温度相关的电流信号I2。第二MOS管M2与第一MOS管M1的宽长比。
电流减法模块中的第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5和第六MOS管M6均为NMOS管。
感温模块中的第一MOS管M1的漏极连接电源电压，M1的栅极、源极和衬底相连，并连接电流减法模块中的第三MOS管M3的栅极和第四MOS管M4的栅极、漏极。
低温补偿模块中的第二MOS管M2的漏极连接电源电压，M2的栅极、源极和衬底相连，并连接电流减法模块中的第五MOS管M5的栅极和第六MOS管M6的栅极、漏极。
电流减法模块中的第三MOS管M3的源极和衬底、第四MOS管M4的源极和衬底、第五MOS管M5的源极和衬底、第六MOS管M6的源极和衬底均接地。
下面对本发明感温模块、低温补偿模块和电流减法模块中MOS管的工作原理进行分析。
由于感温模块、低温补偿模块和电流减法模块的MOS管均工作在亚阈值区，MOS管的亚阈值电流公式如公式(1)：
其中ID是MOS管漏源电流；n＝1+CD/COX，CD是沟道下的耗尽层电容，COX是单位面积的栅氧化层电容，n与温度无关；β是与MOS管的宽长比有关的工艺因子，β＝μCOXW/L，μ为载流子的迁移率，W/L为MOS管的宽长比；VT为热力学电压；VGS为MOS管的栅极和源极电压差；VTH是MOS管的阈值电压；VDS为MOS管的漏极和源极电压差。
当MOS管的漏源电压差VDS大于3倍的热力学电压VT时，关于VDS的指数项近似为1，因此可忽略不计，排除VDS对亚阈值区电流的影响，更容易实现对电路的调节，公式(1)可作修正，如下公式(2)：
温度传感器的感温核心MOS管为感温模块中的第一MOS管M1，该MOS管的连接方式为栅极和源极相连，即MOS栅源电压VGS＝0，根据该连接方式，第一MOS管M1的漏源电流如公式(3)：
其中IM1为感温模块中的第一MOS管M1的漏源电流，VTHM1为第一MOS管M1的阈值电压，βM1是与第一MOS管M1的宽长比有关的工艺因子；VT为即热电压，k为玻尔兹曼常数，q为电荷量，T为温度。
第一MOS管M1的漏源电流是与温度相关的电流信号，该电流信号与温度的关系如下推导，将IM1做对数运算，如公式(4)，从该公式中，可以得到lnIM1与的线性关系(其中2ln(VT)作为误差项)，对温度的倒数做偏导数，给出公式(5)。
同理可得，并假设MOS管的n值相等，低温补偿模块中的第二MOS管M2的漏源电流如公式(6)：
其中IM2为补偿模块中的第二MOS管M2的漏源电流，VTHM2为第二MOS管M2的阈值电压，βM2是与第二MOS管M2的宽长比有关的工艺因子。
电流减法模块包括第一电流镜和第二电流镜，第一电流镜由第三MOS管M3和第四MOS管M4构成，复制第一MOS管M1产生的电流信号I1；第二电流镜由第五MOS管M5和第六MOS管M6构成，复制第二MOS管M2产生的电流信号I2。通过第一电流镜和第二电流镜将的第一MOS管M1和第二MOS管M2产生的电流信号相减并从第三MOS管M3的漏极输出。
第一MOS管M1、第二MOS管M2和第三MOS管M3的电流信号关系如公式(7)，I3为第三MOS管M3的漏极输出电流；由于第一MOS管M1的宽长比远大于第二MOS管M2的宽长比，有IM1＞＞IM2，I3≈IM1。而lnIM1与成线性关系，因此lnI3与/>也成线性关系，如图3所示。
I3＝IM1-IM2 (7)
电流频率转换器接收第三MOS管M3漏极输出的电流信号，并产生频率信号输出到频率比值量化器；频率比值量化器分别接收电流频率转换器输入的频率信号，和外接参考时钟信号输入的频率信号，并产生这两个频率信号的比值信号，该比值信号即为整个带低温漏电补偿的MOS管温度传感器的输出信号。
下面介绍低温补偿模块对感温模块电流的补偿作用，上面仅分析了MOS管漏源电流的感温理论基础。
感温模块的第一MOS管M1和补偿模块的第二MOS管M2的栅极、漏极和衬底相连，并连接电流减法模块；输入电流减法模块的电流不仅只有MOS管的漏源电流，还包括漏极-栅极电流、漏极-衬底电流、深n阱漏电和衬底表面复合电流；在常温下，这些电流与漏源电流相比，相差几个数量级，可忽略不计，但温度低于零下30℃时，漏源电流与漏极-栅极电流、漏极-衬底电流相比，变得不可忽略，因此会恶化低温下的感温线性度。
在低温下，公式(7)可被修正为公式(8)，IML1为第一MOS管M1的漏极-栅极电流和漏极-衬底电流，IML2为第二MOS管M2的漏极-栅极电流和漏极-衬底电流；IMP1为第一MOS管M1的衬底表面复合电流，IMP2为第二MOS管M2的衬底表面复合电流；IMS1为第一MOS管M1的深n阱漏电，IMS2二MOS管M2的深n阱漏电。为了提高低温下的感温线性度，需降低误差电流I3-IM1。
I3＝IM1+IML1+IMP1+IMs1-IM2-IML2-IMP2+IMS2 (8)
MOS管的漏极-栅极电流、漏极-衬底电流公式与源漏电流不一致，因此需要重新考虑漏极-栅极电流、漏极-衬底电流对温度传感器的影响，MOS管的漏极-栅极电流表达式如公式(9)，漏极-衬底电流表达式如公式(10)。
其中IDG为漏极到栅极的电流，IDB为漏极到衬底的电流，Vox为栅氧上的电压降，Ag和Bg是与工艺相关的因子，W是MOS管的栅宽，L是MOS管的栅长，q为电荷量，/>普朗克常数，φox表示隧道电子的势垒高度，m*指硅的导带内电子(或价带内空穴)的有效电荷量；Tox是栅氧厚度。Lside和Lbottom为PN结侧面和底面的长度，ξside和ξbottom指PN结侧面和底面的电场强度，A和B是与工艺相关的物理参数；Vdb是MOS管的漏极-衬底电压；Eg为半导体的禁带宽度。
感温模块中的第一MOS管M1和补偿模块第二MOS管M2是同一种类型的MOS管，这使得电流表达式中工艺因子等参数一致，通过调节第一MOS管M1和第二MOS管M2的宽长比，实现对漏极-栅极电流、漏极-衬底电流的补偿，第一MOS管M1的电流与第二MOS管M2的电流相减，即降低了误差电流IML1-IML2。
感温模块中的第一MOS管M1和补偿模块第二MOS管M2的连接方式是衬底连接源极，而不是衬底接地，该连接方式在绘制集成电路版图时，通常MOS管的版图采用深n阱隔离，该隔离方式可以将NMOS晶体管的衬底与其他NMOS管的衬底隔离；但是该隔离方式会产生深n阱漏电，如上所述，当温度低于-30℃时，该漏电变得不可忽略，会对低温下的线性度产生恶化；补偿模块第二MOS管M2也存在深n阱漏电，通过第一MOS管M1的电流与第二MOS管M2的电流相减，可以将感温模块的深n阱漏电做一定的补偿，即降低了误差电流IMS1-IMS2。
在小于250nm的工艺中，集成电路工艺中使用的隔离方式通常为浅沟槽隔离技术，它是在晶圆衬底上制作晶体管有源区之间的隔离区的一种工艺，能有效保证P型和N型掺杂区能够彻底隔断。浅沟槽隔离技术在P型和N型掺杂区中先将掩模定义的区域刻蚀掉，使之形成一个浅沟槽，然后再往沟槽中填入绝缘的物质材料，目前充当该填充材料的主要是氧化硅，从而达到绝缘的作用。但是，MOS管有源区之间使用浅沟槽隔离，则必然在有源区边缘存在Si-SiO2界面，该界面必然存在一定程度的缺陷，这些缺陷会导致载流子表面复合，表面缺陷提升少数载流子的复合率，从而增加衬底表面复合电流。该复合电流与MOS管的Finger呈正相关，将感温模块中的第一MOS管M1和补偿模块中的第二MOS管M2的Finger设置成一致，通过第一MOS管M1的电流与第二MOS管M2的电流相减，对复合电流作一定的补偿，即降低了误差电流IMP1-IMP2。
通过以上实施例可见，本发明利用亚阈值区工作的MOS管进行感温，减小电路的功耗；并通过设定第一MOS管M1和第二MOS管M2类型一致，且M1的宽长比远大于M2的宽长比，从而保证输出电流的量级，实现低温补偿模块补偿MOS管的低温漏电，提高了低温下的感温线性度，从而拓宽了MOS管温度传感器的感温范围。本发明电路的结构简单，降低了面积，工作温度范围大，有利于集成在芯片的功能模块内部。

Claims (3)

1.一种带低温漏电补偿的MOS管温度传感器，包括：感温模块、低温补偿模块、电流减法模块和输出模块；
所述感温模块为第一MOS管M1，第一MOS管M1产生与温度相关的电流信号I1；
所述低温补偿模块为第二MOS管M2，第二MOS管M2产生与温度相关的电流信号I2；
其中，第一MOS管M1和第二MOS管M2类型一致，且第一MOS管M1的宽长比远大于第二MOS管M2的宽长比；
所述电流减法模块包括第一电流镜和第二电流镜，第一电流镜由第三MOS管M3和第四MOS管M4构成，复制第一MOS管M1产生的电流信号I1；第二电流镜由第五MOS管M5和第六MOS管M6构成，复制第二MOS管M2产生的电流信号I2；通过第一电流镜和第二电流镜2个结构将电流信号I1和电流信号I2相减后，并从第三MOS管M3的漏极输出；
所述感温模块、低温补偿模块和电流减法模块的所有MOS管均工作在亚阈值区；
所述输出模块包括电流频率转换器和频率比值量化器；
电流频率转换器的输入端接第三MOS管M3的漏极，接收第三MOS管M3输出的电流信号，并产生频率信号输出到频率比值量化器；
频率比值量化器的输入端分别接收电流频率转换器输入的频率信号，和外接参考时钟信号输入的频率信号，并计算产生这两个频率信号的比值信号，该比值信号即为整个带低温漏电补偿的MOS管温度传感器的输出信号。
2.如权利要求1所述带低温漏电补偿的MOS管温度传感器，其特征在于：
若所述电流减法模块的MOS管的源端和衬底接入地，则MOS管需使用NMOS；若所述电流减法模块的MOS管的源端和衬底接入电源，则MOS管需使用PMOS；所述感温模块和低温补偿模块所使用MOS管的种类与电流减法模块相同。
3.如权利要求1所述带低温漏电补偿的MOS管温度传感器，其特征在于：
所述第二MOS管M2的宽长比、Finger和版图做进一步调节，使得IM1＞＞IM2更优，从而保证电流减法模块输出电流信号的量级更优，IM1为M1的漏源电流，IM2为M2的漏源电流。
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