一种基于MOSFET感温的低功耗时域温度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于MOSFET感温的时域温度传感器，属于温度传感器领域。该温度传感器包括依次连接的感温单元和频率数字转换器。其中频率数字转换器包括压控振荡器和计数器。该温度传感器通过感温单元感知外界温度，并将物理信号转换为模拟信号，经由压控振荡器将模拟信号转换为频率信号输入所述计数器中，再由计数器读出表征温度信息的数字码值。本发明专利技术相比于传统的温度传感器具有功耗低、面积小、结构简单等优点。简单等优点。简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MOSFET感温的低功耗时域温度传感器


[0001]本专利技术属于温度传感器领域，涉及一种基于MOSFET感温的时域温度传感器。

技术介绍

[0002]随着CMOS工艺节点进一步缩小，芯片功能越来越复杂，集成度越来越高，在先进的光刻技术的基础上，成千上万个晶体管集成在一块微小的硅基板上，这随之带来的芯片发热问题愈渐严重。由于芯片的自发热会严重降低其性能，因此对于芯片的热管理是必不可少的。在芯片的热管理中，片上温度传感器是一种常用的感知温度的器件，它能够提供有关热梯度和热点的局部温度信息，防止芯片过热以提高芯片的稳定性。
[0003]在片上温度传感器中，基于电阻器的温度传感器在能效和分辨率方面可以实现卓越的性能，基于电阻器的温度传感器采用高灵敏度的热敏电阻作为传感器，并结合使用高分辨率的模数转换器读出表征温度信息的数字码值。热敏电阻温度传感器灵敏度高，能够很容易的检测到温度的变化，并且响应温度变化快速，但同时，热敏电阻温度传感器也存在阻值非线性的问题，另外其对温度范围有限制，当超过指定的温度范围时将导致热敏电阻无法正常工作。
[0004]基于光纤的温度传感器利用部分物质吸收的光谱随温度的变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱了解实时温度，光纤温度传感器测温灵敏度高，电绝缘，体积小，但是相对来说其应用成本较高，并且很容易受到光源噪声和环境中微振动带来的干扰，很难实现长时间的稳定测量。
[0005]基于三极管的温度传感器利用三极管产生正温度系数的电压，而后经由频率数字转换器读出数字码值，以此来表征温度，三极管温度传感器虽然精度高，但是这种温度传感器往往体积大、结构复杂，功耗高。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于MOSFET感温的低功耗时域温度传感器，减小温度传感器的功耗和面积，拓宽感温范围，提高分辨率。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于MOSFET感温的低功耗时域温度传感器，该温度传感器包括依次连接的感温单元和频率数字转换器。其中频率数字转换器包括压控振荡器和计数器。该温度传感器通过感温单元感知外界温度，并将物理信号转换为模拟信号，经由压控振荡器将模拟信号转换为频率信号输入所述计数器中，再由计数器读出表征温度信息的数字码值。
[0009]可选地，感温单元包括感温元件和运算放大器，运算放大器的正向输入端与感温元件连接，其反向输入端与其输出端连接，运算放大器的输出端同时还连接压控振荡器。
[0010]可选地，感温元件包括MOS管M1～M3；MOS管M1的漏极连接电源，其栅极分别与M1的源极和衬底以及MOS管M2的漏极和栅极连接；MOS管M2的源极分别与M2的衬底以及MOS管M3的栅极和漏极连接；M3的衬底与其源极连接，其源极接地；
[0011]MOS管M2的漏极作为感温元件的输出，与运算放大器的正向输入端连接。
[0012]MOS管M1～M3的漏源泄露电流相等。
[0013]可选地，压控振荡器包括MOS管Mp1～Mp3、Mc1～Mc3和Mn1～Mn3，以及反相器INV1和INV2；MOS管Mp1的源极分别连接其衬底和电源，Mp1的漏极分别与MOS管Mc1的漏极以及MOS管Mp2和Mn2的栅极；MOS管Mc1的源极分别连接其衬底以及Mn1的漏极；MOS管Mn1的源极连接其衬底，同时接地；MOS管Mp2的源极分别连接其衬底以及电源，其漏极分别与MOS管Mc2的漏极以及Mp3和Mn3的栅极连接；MOS管Mc2的源极分别连接其衬底以及Mn2的漏极；MOS管Mn2的源极连接其衬底，同时接地；MOS管Mp3的源极分别连接其衬底以及电源，其漏极分别与MOS管Mc3的漏极、Mp1和Mn1的栅极以及反相器INV1的输入端连接；MOst管Mc3的源极分别与其衬底以及Mn3的漏极连接；MOS管Mn3的源极连接其衬底，同时接地；反相器INV1的输出端连接反相器INV2的输入端，INV2的输出端与计数器连接；
[0014]MOS管Mc1～Mc3的栅极均接入感温单元的输出信号。
[0015]本专利技术的有益效果在于：本专利技术功耗低、面积小、结构简单，感温范围大，分辨率高。
[0016]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0017]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0018]图1为本专利技术低功耗时域温度传感器原理框图；
[0019]图2为感温单元电路图；
[0020]图3为压控振荡器部分电路图。
具体实施方式
[0021]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0022]请参阅图1～图3，为一种基于MOSFET感温的低功耗时域温度传感器，其主要包含感温单元和频率数字转换器两个部分，其中频率数字转换器由压控振荡器和计数器两个部分组成，如图1所示。该温度传感器的基本机理为芯片片上温度经感温单元将物理信号转换为模拟电信号，模拟电信号经频率数字转换器转换为数字信号，在频率数字转换器内部则是模拟电信号先转换为频率，再由计数器读出，表征为二进制数字码值。
[0023]感温单元主要包括感温元件和连接成负反馈形式的运算放大器A1，其中感温元件
包括MOS管M1～M3，如图2所示。MOS管M1的漏极连接电源，其栅极分别与M1的源极和衬底以及MOS管M2的漏极和栅极连接；MOS管M2的源极分别与M2的衬底以及MOS管M3的栅极和漏极连接；M3的衬底与其源极连接，其源极接地。MOS管M2的漏极是整个感温元件的输出V
sense
，与运算放大器A1的正向输入端连接。运算放大器A1的负向输入端连接其输出端，其输出端则输出下一级压控振荡器的控制电压V
ctrl
。
[0024]感温单元温度与电压间函数关系的理论推导如下：
[0025]一般性MOS管亚阈值区电流方程为：
[0026][0027]式中，μ0表示MOS管迁移率，C
ox
是单位面积的栅氧化层电容，表示MOS管的宽长比，V
T
是温度当量，V
th
是阈值电压的失配，V
gs
是MOS管的栅源电压，V
th
是MOS管的阈值电压，γ是体效应系数，V本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MOSFET感温的低功耗时域温度传感器，其特征在于：包括依次连接的感温单元、压控振荡器和计数器；所述感温单元感知外界温度，并将物理信号转换为模拟信号，所述压控振荡器将模拟信号转换为频率信号输入所述计数器中，再由计数器读出表征温度信息的数字码值。2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述感温单元包括感温元件和运算放大器，运算放大器的正向输入端与感温元件连接，其反向输入端与其输出端连接，运算放大器的输出端同时还连接压控振荡器。3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于：所述感温元件包括MOS管M1～M3；MOS管M1的漏极连接电源，其栅极分别与M1的源极和衬底以及MOS管M2的漏极和栅极连接；MOS管M2的源极分别与M2的衬底以及MOS管M3的栅极和漏极连接；M3的衬底与其源极连接，其源极接地；MOS管M2的漏极作为感温元件的输出，与运算放大器的正向输入端连接。4.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于：所述MOS管M1～M3的漏源泄露电流相等。5.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于：所述MOS管M1～M3...

【专利技术属性】
技术研发人员：于奇，魏龙，柳勇，李靖，吴克军，宁宁，
申请(专利权)人：电子科技大学重庆微电子产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：