CN115638888A - 应用于mems时钟的低功耗温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，采用双极型晶体管与MOS管作为温感元件，通过Sigma‑Delta ADC将温度前端电路输出的与温度相关的模拟电压量转换为数字输出D OUT 。温度前端电路基于MOSFET亚阈值温度特性进行设计，避免了电阻元件的使用，有效降低了电路静态功耗。此外，该TDC采用了动态偏置比较器与互补结构T型开关，进一步提高了能源利用效率。该传感器用于MEMS时钟温度补偿模块，为其提供高精度、高分辨率的温度信息，该结构针对温度传感器功耗进行了优化，其小体积低功耗特性使其适用于MEMS时钟应用。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS时钟、温度传感器技术领域，具体涉及一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器。更具体地，涉及一种基于双极型晶体管与亚阈值MOSFET的混合型低功耗温度传感器电路。
背景技术
频率基准源作为电子系统的“心脏”，广泛应用于无线通信和可穿戴设备中。MEMS(Micro-electro-mechanical Systems)振荡器因品质因素、短期稳定性、长期稳定性以及扩展的频率范围方面等方面的优势而成为频率基准源的重要发展方向。
然而MEMS振荡器的温度稳定性较差，限制了其输出参考频率的稳定性。为了使MEMS振荡器在期望的温度范围内提供稳定的参考频率，需要高分辨率和高转换速率的温度传感器来测量片上温度。
FBAR振荡器相比石英晶体振荡器具有多种优势，但是其温度稳定性不如石英晶体，因此要实现高温度稳定性就必须引入温度传感器进行温度补偿。
发明内容
针对现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，在满足低功耗、小体积的要求上提高测温精度和分辨率，适用于MEMS时钟应用。
本发明提供了一种用于MEMS时钟温度补偿的精密CMOS温度数字转换器(TDC)及其实现方案，该电路采用双极型晶体管与MOS管作为温感元件，通过Sigma-Delta ADC将温度前端电路输出的与温度相关的模拟电压量转换为数字输出DOUT。温度前端电路基于MOSFET亚阈值温度特性进行设计，避免了电阻元件的使用，有效降低了电路静态功耗。由于本方案温度前端电路直接输出与双极型晶体管VBE负温度系数电压温度系数大小相同、相反极性的正温度系数(PTAT)电压，ADC中正温度系数电压VPTAT与负温度系数电压VBE采样电容直接采用单位采样电容，有效减小了芯片面积。此外，该TDC采用了动态偏置比较器与互补结构T型开关，进一步提高了能源利用效率。该温度传感器电路分为温度前端电路、15bit二阶Sigma-DeltaADC、时序产生电路三个模块。该传感器用于MEMS时钟温度补偿模块，为其提供高精度、高分辨率的温度信息，该结构针对温度传感器功耗进行了优化，其小体积低功耗特性使其适用于MEMS时钟应用。
为实现上述目的，本发明具体采取如下技术方案：
一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于，包括：温度前端电路、15bit二阶Sigma-DeltaADC和时序产生电路；
所述温度前端电路，用于提供与温度分别呈正相关和负相关的模拟电压量；
所述15bit二阶Sigma-DeltaADC，用于处理由温度前端电路产生的与温度相关的电压信号，输出一个包含温度信息的脉冲宽度调制信号；
所述时序产生电路，提供Sigma-DeltaADC中用于控制采样保持电路的非交叠时钟。
进一步地，所述的温度前端电路包括：启动电路、纳安级亚阈值电流偏置电路、CTAT电压产生电路以及PTAT电压产生电路；
所述启动电路用于消除每条支路电流为零的情况；保证电路上电后可快速进入正常工作状态。
所述亚阈值电流偏置电路，用于提供精准的偏置电流给CTAT电压产生电路以及PTAT电压产生电路，输出为一个与温度正相关的电流；
所述CTAT电压产生电路，用于产生与温度呈负相关的电压VBE；
所述PTAT电压产生电路，用于提供一个与温度正相关的电压。
进一步地，所述亚阈值电流偏置电路利用工作在亚阈值区的MOS管，产生与温度正相关的偏置电流，为双极性晶体管与PTAT电压产生电流提供偏置电流，以减小VBE的温度非线性。
进一步地，所述CTAT电压产生电路，利用二极管连接的双极型晶体管的温度特性产生与温度负相关的电压VBE。
进一步地，所述PTAT电压产生电路，利用工作在亚阈值区的MOS管的电流特性，产生与温度正相关的电压；
并通过多级类差分PTAT电压产生电路并联的形式，得到一个与VBE的负温度特性相抵消的正温度相关的电压，以避免ADC中利用电容对正温度系数电压进行放大。
进一步地，所述缓冲级电路，利用两级运放接为单位增益缓冲级，使温度前端电路输出阻抗为低阻，以增强其负载驱动能力。
具体地，温度前端电路中PTAT电压产生电路利用MOSFET亚阈值特性产生正温度系数电压，以有效降低系统功耗。根据亚阈值电流表达式可得出MOSFET在亚阈值工作状态下栅源电压为：
其中VTH为阈值电压，η为亚阈值斜率因子，VT为热电压，K为MOS管宽长比。
通过上述公式可得到类差分对结构中输入对管栅源电压差值：
其中KD1、KD2为差分对管宽长比，KM1、KM2为电流镜宽长比。通过令：
即可得到正温度系数电压，其温度系数可通过控制宽长比调节。
通过将单级类差分结构进行级联，从而得到温度系数与VBE大小相同、极性相反的正温度系数电压。
进一步地，所述15bit二阶Sigma-DeltaADC包括：电压多路复用器、采样保持电路、两级积分器、动态偏置比较器，通过电荷平衡原理将带有温度信息的模拟电压量转换为数字形式输出。
进一步地，所述采样保持电路中开关均采用互补结构T型开关进行采样与积分，以减少泄漏电流。
进一步地，所述动态偏置比较器，利用动态偏置技术提高动态比较器能源利用效率。
具体地，温度传感器采用二阶Sigma-DeltaADC，通过电荷平衡的方式实现从电压域到数字域的转换，将温度前端所输出的包含温度信息的模拟电压量VBE和VREF转换为数字输出。
前端电路输出为基准电压VREF与负温度电压VBE，通过电压多路复用器将其转化为VBE与VPTAT，二者可以被组合从而产生一个关于温度的精确函数比例：
在这个比例中，温度前端电路所产生的VPTAT具有与VBE大小相同、极性相反的温度系数，不再需要进行缩放，因此二者均采用单位采样电容进行采样。
由于VPTAT与绝对温度成正比例，而基准电压VPTAT与温度无关，因此比值μ将是与绝对温度成正比例的线性函数，可以将该比值进行线性缩放得到摄氏温度读数DOUT：
DOUT＝A·μ+B (5)
其中系数A和B均为常数。根据VBE温度特性进行推算，当T＝0K时，VPTAT＝0，μ＝0，而T＝600K时，VPTAT＝VREF≈1.2V，μ＝1，可由此推出系数A≈600，通过热力学温度和摄氏温度之间的换算关系，可得出B≈-273。
与现有技术相比，本发明及其优选方案采用双极型晶体管与MOS管作为温感元件，通过Sigma-Delta ADC将温度前端电路输出的与温度相关的模拟电压量转换为数字输出DOUT。温度前端电路基于MOSFET亚阈值温度特性进行设计，避免了电阻元件的使用，有效降低了电路静态功耗。由于温度前端电路直接输出与双极型晶体管VBE负温度系数电压温度系数大小相同、相反极性的正温度系数(PTAT)电压，ADC中正温度系数电压VPTAT与负温度系数电压VBE采样电容直接采用单位采样电容，有效减小了芯片面积。此外，该TDC采用了动态偏置比较器与互补结构T型开关，进一步提高了能源利用效率。该温度传感器电路分为温度前端电路、15bit二阶Sigma-DeltaADC、时序产生电路三个模块。该传感器用于MEMS时钟温度补偿模块，为其提供高精度、高分辨率的温度信息，该结构针对温度传感器功耗进行了优化，其小体积低功耗特性使其适用于MEMS时钟应用。
附图说明
图1是本发明实施例温度前端电路的整体结构图。
图2是本发明实施例类差分结构PTAT电压产生电路图。
图3是本发明实施例PTAT电压产生电路图。
图4是本发明实施例亚阈值电流偏置电路图。
图5是本发明实施例二阶Sigma-DeltaADC整体电路图。
图6是本发明实施例动态偏置型比较器示意图。
图7是本发明实施例整体电路和工作原理示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
如图7所示，本实施例提供的温度传感器电路分为温度前端电路、15bit二阶Sigma-DeltaADC、时序产生电路三个模块。具体地，
如图1所示是温度前端电路的整体电路，通过双极性晶体管二极管连接形式产生负温度系数电压VBE，正温度系数由多级PTAT电压产生电路并联得到与VBE温度系数大小相同、极性相反的正温度系数电压，二者叠加得到一个基准电压VREF。温度前端输出电压为VBE与VREF，经由缓冲级输出至ADC。
单级类差分结构的PTAT电压产生电路如图2所示，通过控制电流镜尺寸与输入对管尺寸可对电压VGG的温度系数进行调节，同时为减小失配，电流镜采用共源共栅结构。
图3是整体PTAT电压产生电路。为了产生与VBE温度系数大小相同、极性相反的电压，PTAT电压产生电路采用多级类差分结构级联的形式以减小芯片面积。通过级联形式，PTAT电压温度系数呈指数增长：
图4是亚阈值电流偏置电路，主要包括电流源电路、PTAT电压产生电路以及偏置电压电路。亚阈值电流偏置电路中除MOS电阻器MR以外，其余均工作在亚阈值区。MB和MR的栅极长度和栅极宽度相同，并且它们在相同的电流下偏置。PTAT电压发生器向MB的栅极-电源电压添加一个电压，以增加MR的栅源电压。其栅源电压的差异迫使MOS电阻器工作在强反型区和深三极管区。流过MOS电阻器的电流值由以下公式定义：
IR＝μCoxK(VGS,MR-VTH)VDS,MR (7)
IB＝μCoxK(VGS,MB-VTH)2 (8)
流过晶体管MB电流与MR电流相等，通过调节MR尺寸与PTAT电压发生器即可得到所需正温度系数电流。由于设计中MOS管MB和MR的尺寸相同，其阈值电压也相似，因此亚阈值电流偏置电路产生的电流对工艺变化具有鲁棒性。
图5为二阶单环路Sigma-DeltaADC结构框图。该电路由电压多路复用器、采样保持电路、两级开关电容积分器以及动态偏置型比较器构成用于将温度前端电路所输出的模拟电压量转化为数字输出。由于前端电路部分直接所得到的PTAT电压温度系数电与VBE温度系数大小相同，极性相反，ADC模块采样电容个数均使用单位采样电容即可。
图6为动态偏置型比较器结构。作为优选，该电路由预防大级、比较级以及锁存级构成，其中预防大级采用动态偏置技术以提高能源利用效率。该技术通过在预放大器部分加入尾晶体管Mb2与尾电容CTALL，防止了积分电容器CX的完全放电，节省了部分能耗。在动态偏置预放大器中，由于尾部电容CTAIL，M1与M2源级电位上升，降低了输入对的过驱动电压，增加了输入对的gm/ID，从而降低了噪声与失调的影响。
值得注意的是，在本实施例方案中，积分器、比较器、采样开关在以低功耗为前提的要求下，可用不同结构替代。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于，包括：温度前端电路、15bit二阶Sigma-Delta ADC和时序产生电路；
所述温度前端电路，用于提供与温度分别呈正相关和负相关的模拟电压量；
所述15bit二阶Sigma-Delta ADC，用于处理由温度前端电路产生的与温度相关的电压信号，输出一个包含温度信息的脉冲宽度调制信号；
所述时序产生电路，提供Sigma-Delta ADC中用于控制采样保持电路的非交叠时钟。
2.根据权利要求1所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述的温度前端电路包括：启动电路、亚阈值电流偏置电路、CTAT电压产生电路以及PTAT电压产生电路；
所述启动电路用于消除每条支路电流为零的情况；
所述亚阈值电流偏置电路，用于提供精准的偏置电流给CTAT电压产生电路以及PTAT电压产生电路，输出为一个与温度正相关的电流；
所述CTAT电压产生电路，用于产生与温度呈负相关的电压V BE ；
所述PTAT电压产生电路，用于提供一个与温度正相关的电压。
3.根据权利要求2所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述亚阈值电流偏置电路利用工作在亚阈值区的MOS管，产生与温度正相关的偏置电流，为双极性晶体管与PTAT电压产生电流提供偏置电流，以减小V BE 的温度非线性。
4.根据权利要求2所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述CTAT电压产生电路，利用二极管连接的双极型晶体管的温度特性产生与温度负相关的电压V BE 。
5.根据权利要求2所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述PTAT电压产生电路，利用工作在亚阈值区的MOS管的电流特性，产生与温度正相关的电压；
并通过多级类差分PTAT电压产生电路并联的形式，得到一个与V BE 的负温度特性相抵消的正温度相关的电压，以避免ADC中利用电容对正温度系数电压进行放大。
6.根据权利要求2所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述缓冲级电路，利用两级运放接为单位增益缓冲级，使温度前端电路输出阻抗为低阻，以增强其负载驱动能力。
7.根据权利要求1所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述15bit二阶Sigma-Delta ADC包括：电压多路复用器、采样保持电路、两级积分器、动态偏置比较器，通过电荷平衡原理将带有温度信息的模拟电压量转换为数字形式输出。
8.根据权利要求7所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述采样保持电路中开关均采用互补结构T型开关进行采样与积分，以减少泄漏电流。
9.根据权利要求7所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述动态偏置比较器，利用动态偏置技术提高动态比较器能源利用效率。
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| CN202211088040.7A CN115638888A (zh) | 2022-09-07 | 2022-09-07 | 应用于mems时钟的低功耗温度传感器 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116225142A (zh) * | 2023-05-06 | 2023-06-06 | 上海灵动微电子股份有限公司 | 无电阻式带隙基准电压源、基准电压产生方法及集成电路 |
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2022
- 2022-09-07 CN CN202211088040.7A patent/CN115638888A/zh active Pending
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