一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，脉宽信号主要通过感温电阻和放电电容产生。感温电阻将温度转换成电流，放电电容通过该电流放电将电流转换成延迟时间，实现温度与时间量的转换。通过一个与温度负相关的感温电阻和一个与温度正相关的线性MOS电阻构成两条延迟线，理论分析两个电阻的温度系数，采用二阶温度系数补偿的方案，实现脉冲宽度与温度的高度线性的特性。本发明专利技术产生的脉冲信号稳定，电源抑制比高，可用于利用TDC结构检测的温度传感器系统。本发明专利技术具有电路面积小和功耗低的优点，因此可应用于全集成低功耗高精度的CMOS温度传感器中。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路
本专利技术涉及一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，可用于全集成低功耗高精度的CMOS温度传感器中，属于微信号传感检测技术。
技术介绍
温度检测技术是一项重要的微弱信号检测技术，随着半导体和集成电路工艺的发展，温度传感器的设计和发展进入了一个新的纪元。在便携式系统的风潮下，设计能够适应这种片上体系的面积小、功耗低、精度高的温度传感器，成为集成电路研究热门领域。温度传感器检测的实现可归纳为ADC与TDC两种方式，前者需要温度感应模块将温度信号转化成电压或电流信号，后者需要温度感应模块将温度信号转化成时间量。利用CMOS构建温度传感器一般有2种途径：其一是利用MOS管的亚阈值区构造MOS管的PTAT，灵敏度可达1.32mV/℃，但对偏置源的依赖有100mV/V，且高温下会产生漏电，因对阈值电压VTH依赖大，在高性能要求时，必须有大范围的微调和校准，不具备长期稳定性；另一途径是通过强反型状态下，MOS管的载流子迁移率μ与VTH和温度的关系加以测量，基于此有5种设计方案：①只基于μ随温度的改变；②只基于VTH随温度的改变；③同时考虑VTH和μ两个变量；④利用MOS器件的零温度系数点ZTC；⑤利用逻辑门延时随温度增加的原理来构建的数字环振。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，以实现TDC结构的温度检测，本专利技术提供一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，在实现高精度测量的同时，简化电路结构、减小了电路面积和功耗。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，与温度负相关的感温电阻R1和放电电容C1构成CTAT延迟电路，感温电阻R1将温度转换成感温电流ICT，放电电容C1根据感温电流ICT放电，比较器COMP1实时检测放电电容C1上的实时电压；与温度正相关的线性MOS电阻M21和放电电容C2构成PTAT延迟电路，线性MOS电阻M21将温度转换成感温电流IPT，放电电容C2根据感温电流IPT放电，比较器COMP2实时检测放电电容C2上的实时电压；由于感温电阻R1和线性MOS电阻产生的感温电流不同，因此放电电容C1和放电电容C2的放电电流不同(即ICT和IPT不相同)，放电电容C1和放电电容C2的实时电压不同，比较器COMP1和比较器COMP2的高低电平存在时间延迟，通过异或门将这种时间延迟转换成脉冲信号，最终实现温度与时间量的转换。具体的，通过理论分析感温电阻R1和线性MOS电阻M21的温度系数，采用二阶温度系数补偿的方案，实现脉冲信号的脉冲宽度与温度的高度线性。具体的，定义传播延迟为电容C根据放电电流I充放电至电源电压VDD的κ倍时所需要的时间t，0≤κ≤1，根据电容充放电的公式可知：对于PTAT延迟电路对于工作在深度线性区的线性MOS电阻M21，IPT通过下式计算：式(2)中，IPT表示通过线性MOS电阻M21的电流；μ＝μ0(T/T0)km，μ0表示电子迁移率，T表示当前温度，T0表示300K，km为工艺参数；COX表示MOS电阻M21的栅氧化层厚度；W/L表示MOS电阻M21的宽长比；VGS表示MOS电阻M21的栅源电压；VTH＝VTH0+α(T-T0)，VTH0表示线性MOS电阻M21在温度300K时的阈值电压，α为工艺参数；VDS表示线性MOS电阻M21的源漏电压；取VDS<<(VGS-VTH)，即可忽略式(2)中的二次项，得到将该式带入式(1)可得：式(3)中，tPT为PTAT延迟电路的延迟，A、B均为常数：B＝VGS-VTH0+αT0(5)对f(T)求一阶和二阶导数：由泰勒定理，对tPT进行二阶泰勒展开，忽略更高阶项，同时令式(7)为0，可得：上述两式中，B0和VGS0是在式(7)等于0时B与VGS的取值；由于km和α的取值与工艺参数相关，取值范围分别为-0.1～2.43和-1～-4mV/K，所以VGS0的值随工艺而变化，通过计算，VGS0的取值在0.7～1.5V的区间范围，具体的数值需要进行电路仿真；通过不断改变加在线性MOS电阻M21栅极的偏置电压VREF，得到不同偏置电压VREF的1/IPT与温度的波形图；偏置电压VREF可由外置电压直接提供，方便测试时调节；对于CTAT延迟电路由欧姆定律可知，ICT＝VR/R1，ICT表示通过感温电阻R1的电流，VR是感温电阻R1两端的电压；在TSMC0.35μmCMOS工艺库中，感温电阻R1通过下式计算：R1(T)＝R0(1+KTC1×dT+KTC2×(dT)2)(10)式(10)中，KTC1表示一阶温度系数，KTC2表示二阶温度系数，R0是25℃下感温电阻R1的电阻值，dT为当前温度T与25℃的差值，CTAT延迟电路的延迟tCT根据下式计算：将式(10)带入式(11)并对g(T)求一阶和二阶导数：式(12)中，T0'表示25℃；CMOS工艺库中提供多种不同温度系数的电阻，其中一些电阻值较小(小于150Ω)的方块电阻只有一阶温度系数，电阻值在1kΩ以上的方块电阻(比如阱电阻和POLY电阻)一般都具有正的二阶温度系数，在实际电路中由于低功耗的标准，一般选用电阻值在10kΩ量级以上的电阻(若使用方块电阻较小的电阻，会增加产品面积，使得版图绘制很难做到对称)，因此都是具备二阶温度系数的；通过不断改变感温电阻R1，得到不同感温电阻R1的1/ICT与温度的波形图；将不同偏置电压VREF的1/IPT与温度的波形图与不同感温电阻R1的1/ICT与温度的波形图均导入MATLAB进行二阶线性拟合，选取对应的偏置电压VREF和感温电阻R1，使得相同温度T时f″(T)与g″(T)相等，以抵消PTAT延迟电路和CTAT延迟电路的二阶非线性项，实现脉冲信号的脉冲宽度与温度的高度线性。该应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路的一般结构为：包括前置电源电压分压电路、感温电阻R1、线性MOS电阻M21、两个基于OP控制的V-I转换电路、两个静态电流线性传输电路、两个电容充放电路和脉宽产生电路，将感温电阻R1和线性MOS电阻M21统称为感温源；前置电源电压分压电路同时连接两个基于OP控制的V-I转换电路，每个基于OP控制的V-I转换电路连接一个感温源和一个静态电流线性传输电路，每个静态电流线性传输电路连接一个电容充放电路，两个电容充放电路共同接入脉宽产生电路；其中：所述前置电源电压分压电路将电源电压进行等分，等分后产生的电压记作VG；所述基于OP控制的V-I转换电路由OP运放和PMOS管构成，其中OP运放采用经典的两级PMOS管五管差分运放结构，OP运放中的偏置来源于Cascode偏置结构；VG作为OP运放的输入，通过基于OP控制的V-I转换电路将VG钳位在感温源的一端，将感温源的温度转换成感温电流；所述静态电流线性传输电路采用Cascode电流镜结构，将感温电流镜像拷贝出去，提供恒定的感温电流给电容充放电路；所述电容充放电路包括放电电容和比较器，放电电容工作初始时需充电至电源电压VDD，工作时断开电源并根据恒定的感温电流放电，比较器实时比较放电电容上的实时电压与κVDD的大小；所述脉宽产生电路采用交叉耦合对负载的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，其特征在于：与温度负相关的感温电阻R1和放电电容C1构成CTAT延迟电路，感温电阻R1将温度转换成感温电流ICT，放电电容C1根据感温电流ICT放电，比较器COMP1实时检测放电电容C1上的实时电压；与温度正相关的线性MOS电阻M21和放电电容C2构成PTAT延迟电路，线性MOS电阻M21将温度转换成感温电流IPT，放电电容C2根据感温电流IPT放电，比较器COMP2实时检测放电电容C2上的实时电压；由于感温电阻R1和线性MOS电阻产生的感温电流不同，因此放电电容C1和放电电容C2的放电电流不同，放电电容C1和放电电容C2的实时电压不同，比较器COMP1和比较器COMP2的高低电平存在时间延迟，通过异或门将这种时间延迟转换成脉冲信号，最终实现温度与时间量的转换。

【技术特征摘要】
1.一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，其特征在于：与温度负相关的感温电阻R1和放电电容C1构成CTAT延迟电路，感温电阻R1将温度转换成感温电流ICT，放电电容C1根据感温电流ICT放电，比较器COMP1实时检测放电电容C1上的实时电压；与温度正相关的线性MOS电阻M21和放电电容C2构成PTAT延迟电路，线性MOS电阻M21将温度转换成感温电流IPT，放电电容C2根据感温电流IPT放电，比较器COMP2实时检测放电电容C2上的实时电压；由于感温电阻R1和线性MOS电阻M21产生的感温电流不同，因此放电电容C1和放电电容C2的放电电流不同，放电电容C1和放电电容C2的实时电压不同，比较器COMP1和比较器COMP2的高低电平存在时间延迟，通过异或门将这种时间延迟转换成脉冲信号，最终实现温度与时间量的转换；该电路具体包括前置电源电压分压电路、感温电阻R1、线性MOS电阻M21、两个基于OP控制的V-I转换电路、两个静态电流线性传输电路、两个电容充放电路和脉宽产生电路，将感温电阻R1和线性MOS电阻M21统称为感温源；前置电源电压分压电路同时连接两个基于OP控制的V-I转换电路，每个基于OP控制的V-I转换电路连接一个感温源和一个静态电流线性传输电路，每个静态电流线性传输电路连接一个电容充放电路，两个电容充放电路共同接入脉宽产生电路；其中：所述前置电源电压分压电路将电源电压进行等分，等分后产生的电压记作VG；所述基于OP控制的V-I转换电路由OP运放和PMOS管构成，其中OP运放采用经典的两级PMOS管五管差分运放结构，OP运放中的偏置来源于Cascode偏置结构；VG作为OP运放的输入，通过基于OP控制的V-I转换电路将VG钳位在感温源的一端，将感温源的温度转换成感温电流；所述静态电流线性传输电路采用Cascode电流镜结构，将感温电流镜像拷贝出去，提供恒定的感温电流给电容充放电路；所述电容充放电路包括放电电容和比较器，放电电容工作初始时需充电至电源电压VDD，工作时断开电源并根据恒定的感温电流放电，比较器实时比较放电电容上的实时电压与κVDD的大小；所述脉宽产生电路采用交叉耦合对负载的比较器结构，接收两个比较器的比较结果，由于感温源产生的感温电流不同，因此两个电容的放电电流不同，导致两个比较器的高低电平存在一个延时，通过异或门将存在的这个时延直接转换成脉冲信号；通过理论分析感温电阻R1和线性MOS电阻M21的温度系数，采用二阶温度系数补偿的方案，实现脉冲信号的脉冲宽度与温度的高度线性；定义传播延迟为电容C根据放电电流I充放电至电源电压VDD的κ倍时所需要的时间t，0≤κ≤1，根据电容充放电的公式可知：对于PTAT延迟电路对于工作在深度线性区的线性MOS电阻M21，IPT通过下式计算：其中，IPT表示通过线性MOS电阻M21的电流；μ＝μ0(T/T0)km，μ0表示电子迁移率，T表示当前温度，T0表示300K，km为工艺参数；COX表示线性MOS电阻M21的栅氧化层厚度；W/L表示线性MOS电阻M21的宽长比；VGS表示线性MOS电阻M21的栅源电压；VTH＝VTH0+α(T-T0)，VTH0表示线性MOS电阻M21在温度300K时的阈值电压，α为工艺参数；VDS表示线性MOS电阻M21的源漏电压；取VDS...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴金，唐豪杰，闫晓宁，谢雪丹，郑丽霞，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32