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基于CMOS集成温度传感器的电路设计与仿真

吴梦维;王振铎

【摘要】为提高温度传感器的测量精度,同时缩小其面积和功耗,文中设计了一种使

用NPN晶体管进行温度测量的完全集成互补型金属氧化物半导体传感器.该传感器

主要由偏置电路,运算放大器和热传感器电路组成.偏置电路为传感器提供偏置条件,

其由启动电路和B乘法器电路组成.文中采用LTspiceandMatlab进行电路设计,

并在50nm工艺下对传感器电路进行仿真,得到所设计的温度传感器在-30～125℃

范围内,温度系数为5.9mV/℃.

【期刊名称】《电子科技》

【年(卷),期】2018(031)008

【总页数】3页(P86-88)

【关键词】CMOS技术;集成温度传感器;50nm工艺;温度系数

【作者】吴梦维;王振铎

【作者单位】哈尔滨理工大学软件与微电子学院,黑龙江哈尔滨150000;哈尔滨理

工大学软件与微电子学院,黑龙江哈尔滨150000

【正文语种】中文

【中图分类】TN342

近年来，互补金属氧化物半导体(CMOS)已广泛用于传感器电路设计。2016年，

Mansoor等人[1]设计了一种硅绝缘体CMOS多传感器微机电系统芯片，其可以

同时测量温度、压力和流量。2017年，Wen-Sheng等人[2]提出了一种用于变温

系统中光探测器的暗电流抑制技术。CMOS温度传感器的优点包括体积小、成本

低、性能高，且易于批量生产。在众多工业应用中，温度传感器可在-30～125℃

的宽温度范围内工作[3]。通常使用双极型和金属氧化物半导体(MOS)晶体管来实

现片上传感器，例如温度传感器[4]。在双极型晶体管中，基极-发射极电压与饱和

电流用于提取基本信号。而在MOS晶体管的情况下，基本信号来源于阈值电压和

迁移率。然而，温度传感器的大部分电路均是由双极晶体管使用的，因双极晶体管

的温度特性比MOS晶体管更好[5]。

本文设计基于CMOS的集成温度传感器，其主要由偏置电路、运算放大器以及热

传感器组成。文中讨论了电路的主要设计，包括偏置电路、运算放大器电路、热传

感器。并在50nm工艺下对电路进行仿真，得出该传感器的温度系数为5.9mV

/℃。

1温度传感器设计

1.1温度传感器原理

图1所示为温度传感器电路的结构。传感器电路由电流镜像源，一对双极型晶体

管和一个电阻组成。Q1和Q2是两个NPN双极晶体管；I1和I2分别为Q1和

Q2的集电极电流，分别由恒流源提供；电阻R上的电压是VBE1和VBE2之间的

电压差。电压和电流之间的关系[6]为

(1)

(2)

其中K是玻尔兹曼常数，q是电子电荷，T是绝对温度；γ是Q1和Q2的发射极

面积比。当γ=1时，式(2)有效。根据式(1)和式(2)，当温度升高时，基级-发射极

电压降低，因此，传感器可以将温度信号转换成电压信号。

图1温度传感器原理图

1.2偏置电路设计

为了给放大器电路提供偏置，偏置电路分为启动电路和β乘法器电路。启动电路

集成在一起，以确保电路稳定在正确的工作点。LiuX等人[7]提出的β乘法电路可

用于实现MOS源侧的电阻，同时还可计算电流数据。根据图2所示，VGS1和

VGS2之间的关系表示为

VGS1=VGS2+IREF·R1,VGS1VGS2

(3)

为满足式(3)，为M2的β2选择较大的W2/L2。然后，只需要一个较小的栅源电

压便可获得所需的电流IREF。电压和电流之间的关系为[8]

(4)

(5)

β2=K·β1

(6)

所以

(7)

在β乘法电路参考电压源中，M1的栅极电压总是与温度有关。通过Spice软件模

拟，结果显示温度变化为60mV/100℃[9]。

图2β乘法电路图

短沟道偏置电路由β乘法器电路和基准电路组成。根据式(8)～式(15)，计算电路

参数。在短沟道偏置电路设计中，栅极-源极电压VGS和阈值电压VTHN之间的

差值是栅极过驱动电压VOVN