CN102778304B

CN102778304B - Cmos温度传感器

Info

Publication number: CN102778304B
Application number: CN201210195699.2A
Authority: CN
Inventors: 王俊辉; 潘良龄; 陈锦鸿; 邝国权
Original assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Current assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: US20140362887A1; US20130235903A1; US8864377B2; CN102778304A; US9638584B2

Abstract

一种片上温度传感器电路，其可以使用横向PNP晶体管以标准的CMOS过程实施。由于饱和电流，一对晶体管的集电极电流对电压具有敏感度。比例电阻器连接到一个晶体管的发射极，其电压与另一个晶体管的发射极电压由一个误差放大器进行比较，而产生一偏压到电流源，其与绝对温度成比例，因为饱和电流敏感度被减去了。该电流被镜像以从输出经过倍增电阻器而吸入电流。连接该倍增电阻器的放大器比较一参考电压，以设定直流偏压，其与温度敏感度无关。温度敏感度与倍增电阻器和比例电阻器电阻值的比值再乘以一个镜像因子成比例。也提供了差分输出。

Description

CMOS温度传感器

【技术领域】

本发明涉及温度传感器，特别涉及CMOS片上（on-chip）温度传感器电路。

【背景技术】

高度集成的电路会产生能够完成多种任务的大芯片。但是，紧紧聚集的晶体管会产生热量，特别是在较高的运行频率下。芯片上的热点会导致不稳定的电路功能，甚至永久的损坏。

可以在集成电路（IC）芯片上增加温度监控电路。这个片上温度监控电路可以检测高温并启动功率控制器，将一些或所有的芯片电路断电，或者降低运行频率。一旦温度大大下降，可以将电路再接通电源或重新运行。

理想情况下，该温度监控电路和芯片上其他电路都是使用相同的加工技术。但是，一些温度监控电路需要更昂贵的BiCMOS技术（双极CMOS），而不时标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）。

图1显示一个简单的现有技术里的温度监控电路。电流源10驱动一恒定电流I₀到二极管12，其吸入电流，产生一输出电压V_O。流过二极管12的电流和基极发射极二极管结电压VBE有关，如：

V_BE=(kT/q)ln(I_C/I_S)

其中k是玻尔兹曼常数（Boltzmann constant），T是绝对温度，q是基本电荷（elementary charge），I_C是流过二极管12的集电极电流，I_S是饱和电流。但是，饱和电流本身也是随着温度而变化的，因此有两个基于温度的变量，T和I_S。

输出电压V_O等于基极-发射极结电压，如0.6V，加上一个温度敏感项，大约–2mV每开氏度，或–2mV/K。温度敏感度是通过制作过程而固定下来的。

图1中简单电路的缺点是需要一个恒定电流源10。输出电压关于温度的线性会因为真实电流源的非理想的特性而降低。而且，温度敏感量太低了。饱和电流I_S的温度敏感性也会引入非线性到该温度传感器中。

图2显示另一个现有技术的温度传感电路。温度敏感度和电阻16、14的比值成比例，有较大的温度敏感度。请参看Sato等人的美国专利7,368,973。基极电流补偿电路（base current cancellation circuit）包括晶体管22、24、26，使用晶体管20而非一个二极管来产生V_O。输出电压V_O=(0.6v–2mV/K)*(1+R16/R14)。因此温度敏感度和电阻比值R16/R14成比例。

但是，仍然需要一个理想的电流源10，和使用一个BiCMOS过程。因为不能抵消饱和电流项，还是会降低线性。而且，因为堆叠的晶体管数量，会降低电压余量（voltage headroom）。降低的电压余量对于降低的电源电压也是个问题。

期望有一个改进的温度传感电路。希望温度传感电路不需要BiCMOS，只是使用标准的CMOS过程。希望温度传感器的温度敏感度是使用电阻比值、电流镜比值、或其他方法，但是又没有降低的电压余量。希望温度传感器不需要理想的电流源，可以抵消饱和电流项。

【附图说明】

图1显示一个简单的现有技术里的温度监控电路。

图2显示另一个现有技术的温度传感电路。

图3是温度传感电路的方框图。

图4是一温度传感器电路的示意图，其使用基极-发射极电压差再乘以一镜像电流以抵消温度的非线性。

图5是另一个温度传感器电路，其有一输出电流源。

图6显示一差分温度传感器电路。

图7显示具有输出电流源和电流沉的差分温度传感器电路。

图8是电流源的示意图。

【具体实施方式】

本发明涉及改进的温度传感电路。以下描述使本领域技术人员能够依照特定应用及其要求制作和使用在此提供的本发明。所属领域的技术人员将明了对优选实施例的各种修改，且本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明不希望限于所展示和描述的特定实施例，而是应被赋予与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。

图3是一个温度传感电路的方框图。I_PTAT产生器100是一个电路，该电路会产生正比于绝对温度（PTAT）的电流。但是，没有使用一个二极管，或一个基极-发射极结晶体管，而是使用了两个晶体管，结果电压会被相互减去。

发明人使用了两个基极-发射极结，然后比较产生的电压，得到基极-发射极电压的差值ΔV_BE。因为两个二极管结的饱和电流引起的温度的非线性，在减去电压时就被相互抵消了。

I_PTAT产生器100的电流被第二阶段102转换成电压，第二阶段102包括一个电流-到-电压转换器。电流乘以电阻器R3，然后转换成电压。I_PTAT产生器100中的另一个电阻器R1分担了一部分电流I_PTAT。因此输出电压TS_OUT和电阻比值R3/R1成比例。这个基于电阻比值的比例可以非常精确，而且任何因为二极管或晶体管结中饱和电流I_S引起的温度非线性都会抵消。

参考电压V_REF是用于设置TS_OUT的直流偏压。直流偏压可以独立设置，与电阻比值和温度敏感度无关。因此电压余量不会降低，而敏感度会增加。

图4是一个温度传感器电路的示意图，其使用基极-发射极电压的差值，并乘以一镜像电流以抵消温度的非线性。PNP晶体管36、46可以是由标准CMOS过程形成的横向晶体管。集电极电流和它们的基极-发射极结电压对温度是敏感的。晶体管46的基极-发射极电压是V2，其应用在误差放大器30的反相输入上。晶体管36的集电极电流流过比例电阻34（scaling resistor），产生一个额外的电压降，增加应用在误差放大器30非反相输入上的电压V1。

误差放大器30根据电压V1、V2的差值来调整偏压VMP。偏压VMP应用在电流源32、42上以调整它们的电流。电流源32产生电流IP1给比例电阻34和晶体管36，而电流源42产生电流IP2给晶体管46。

因为两个晶体管36、46的集电极电流都是基于饱和电流I_S，其具有非线性温度相关性，该基于饱和电流I_S的温度相关性可以通过误差放大器30的减去而被抵消。来自电流源32、42、44的最终电流和绝对温度的关系如：

I_PTAT=VT ln(N)/R1

其中VT是kT/q，R1是比例电阻34的电阻值，ln是自然对数函数，N是晶体管36、46的W/L尺寸比值（宽长比）。

偏压VMP是由误差放大器30产生，并应用在电流源32、42、44上，使得它们每个都产生一个与绝对温度成比例的电流。由电流源44镜像的电流IP3被应用在电流沉48（current sink）上，其产生一偏压VMN，使得吸入电流IN1（sink current）被镜像到电流沉52上，为电流IN2。吸入电流IN2流过倍增电阻器40（multiplier resistor），将镜像电流转换为电压VOUT。

放大器50在其非反相输入上接收参考电压VREF，在其反相输入上接收电压V4。电压V4在电流沉52和倍增电阻器40之间。放大器50设置直流偏压VOUT以匹配VREF。

输出电压VOUT是VREF加上倍增电阻器40上的I*R降，或

VOUT=VREF+IN2*R3

VOUT=VREF+I_PTAT*M*R3

其中M是镜像因子或电流沉52、48的尺寸的比值。

VOUT=VREF+(kT/q)*ln(N)*M*R3/R1

因此VOUT的温度敏感度（以伏特每开氏度表示）是：

敏感度(V/K)=VREF+(k/q)*ln(N)*M*R3/R1

因此温度敏感度与R3/R1（即倍增电阻器40与比例电阻器34的比值）、镜像因子M、晶体管（或晶体管36、46）尺寸比N的自然对数成比例。电路设计者可以选择这些变量来实现该电路期望的温度敏感度。

【运行】

当V2高于V1，误差放大器30降低VMP，使得电流源32、42的PMOS源电流增加。该增加的源电流（source current）使得V1上升超过V2，因为比例电阻器34。

图5是另一个温度传感器电路，其具有输出电流源。输出电流源54也接收偏压VMP并产生电流IP4，其与绝对温度成比例，没有饱和电流I_S的非线性。输出电流源54与尺寸成比例，有比例因子M。输出电流源54提供电流IP4，其补偿电流沉52的吸入电流IN2。该电流补偿能增加电路的精度，并允许放大器50成为较低电流驱动或低功率放大器。

图6显示一个差分温度传感器电路。一些应用可以使用差分信号，而不是使用如图4-5的单端输出VOUT。差分信号VOUTP、VOUTN承载了VOUT作为电压差的信息，而不是一个绝对电压。差分信号是更抗噪的，能够使用较低功率电路或较低的电源电压。

放大器60是一个有正输出和负输出的全差分放大器，正负输出与共模输入VCM相关。放大器60的反相输入接收电压V4，V4在电流沉52和半倍增电阻器62之间。和图4的接收参考电压不同，放大器60的非反相输入也接收一个电压V5。电压V5产生在电流源66和半倍增电阻器64之间。电流源66也接收偏压VMP并产生电流IP5，其与绝对温度成比例。

半倍增电阻器62连接在V4和VOUTP之间，而半倍增电阻器64连接在V5和VOUTN之间。半倍增电阻器62的电阻值是倍增电阻器40电阻值R3的一半，即R3/2。类似地，半倍增电阻器64的电阻值也是倍增电阻器40电阻值R3的一半，即R3/2。因此，半倍增电阻器62、64的电阻值之和是R3。同样的温度敏感度公式适用于该差分传感器，但是没有VREF项：

敏感度(V/K)=(k/q)*ln(N)*M*R3/R1

图7显示具有输出电流源和电流沉的差分温度传感器电路。输出电流源72驱动电流IP4到输出VOUTP，并接收偏压VMP，有镜像比例因子M。输出电流沉74从输出VOUTN吸入电流IN3，并接收偏压VMN，有镜像比例因子M。

使用输出电流源和电流沉而补偿电流IN2、IP5，可以提高准确率。对于放大器60，可以实现较低的电流驱动，或可以得到较快的输出转换速度。全差分电路可以提高共模噪声抑制。

图8是一个电流源的示意图。图4-7的电流源32，以及其他电流源，可以实施为两个P沟道晶体管92、94，它们的栅极连接在一起，以接收偏压VMP。P沟道晶体管92、94串联连接在电力和电压V1之间，可以提供更好的隔离，因为中间节点VSD在晶体管92、94之间，阻碍了泄漏电流。P沟道晶体管92、94的衬底、阱、体端（body terminal）可以连接到电源或连接到其他体偏压（body bias voltage）。

电流沉可以以类似的方式实施，使用串联的两个或多个n沟道晶体管。单个晶体管也能用作电流源或电流沉，但是提供较少隔离。

【其他实施例】

发明人还想到一些其他的实施例。例如，共模电压VCM可以产生为一个固定的参考电压，或可以将差分信号的差值在一段时间内平均而产生，或通过滤波或其他方法。可以增加一个启动电路以便初始设定电压。可以增加多个装置如晶体管或并联的额外的电路脚。双极晶体管36、46可以是横向NPN晶体管，或可以是横向PNP晶体管，如果有BiCMOS过程的话。

可以有额外的晶体管在电流源和电流沉之间，如在电流源44和电流沉48之间，如图4中的虚线所示。虽然已经描述了PNP晶体管36、46，但是可以使用二极管，或PNP或其他种类的晶体管，只要它们的结具有温度敏感性。

为了各种和本发明不相关的原因，可以在电路的各个位置上增加缓存、逆变器、门逻辑、电容、电阻、或其他元件，如因为节电模式。

信号可以被编码、压缩、反转、组合、或做其他改变。时钟可以和其他信号或条件组合。整个电路或部分电路可以反转，可以互换p沟道和n沟道晶体管，放大器的反相和非反相输入也可以互换。

方向词汇如上、下、高、低、顶部、底部等等都是相对的，可以变化的，因为***、电路、或数据是可以旋转的、翻转的，等等。这些词汇对于描述该装置是有用的，但不是绝对的。信号可以是高电平信号或低电平信号，可以反转、缓存、编码、质化或有其他改变。

可在各种节点处添加额外组件，例如电阻器、电容器、电感器、晶体管等，且还可存在寄生组件。启用和停用所述电路可用额外晶体管或以其它方式实现。可添加传送门晶体管或传输门以用于隔离。可以增加逆变，或额外的缓存。晶体管和电容的最终尺寸可以在电路仿真或现场测试之后进行选择。可以使用金属掩膜或其他可编程部件，去确定最终的电容、电阻、或晶体管尺寸。

因为一些工艺或过程，可以使用p沟道晶体管，而不是n沟道晶体管（或者相反），而且因为各种目的，可以添加逆变器、缓存、电容器、电阻器、门、或其他组件在一些节点上，以便稍稍调整该电路。通过增加延迟线或通过控制延迟，可以调整时序。为一些组件可以使用单独的电源和接地。可以添加各种滤波器。可以替换低电平信号，而不是高电平信号。

尽管已经描述了正电流，但是电流也可以是负的或正的，在一些情况下载子可以考虑为电子或空穴。当载子是相反极性时，源电流和吸入电流是可互换的术语。电流可以以相反的方向流动。固定偏压可以转换为电源或接地以断电该电路。

尽管已经描述了CMOS晶体管，但是也可以替换为其他晶体管技术或其他变体，可以使用除硅外的其他材料，如镓砷化物(GaAs)和其他变体。

本发明背景技术部分可含有关于本发明的问题或环境的背景信息而非描述其它现有技术。因此，在背景技术部分中包括材料并不是申请人承认现有技术。

本文中所描述的任何方法或工艺为机器实施或计算机实施的，且既定由机器、计算机或其它装置执行且不希望在没有此类机器辅助的情况下单独由人类执行。所产生的有形结果可包括在例如计算机监视器、投影装置、音频产生装置和相关媒体装置等显示装置上的报告或其它机器产生的显示，且可包括也为机器产生的硬拷贝打印输出。对其它机器的计算机控制为另一有形结果。

已出于说明和描述的目的呈现了对本发明实施例的先前描述。其不希望为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。鉴于以上教示，许多修改和变型是可能的。希望本发明的范围不受此详细描述限制，而是由所附权利要求书限制。

Claims

1.一种温度传感器电路，包括：

第一结，其在第一节点上产生第一电压，其对温度具有敏感性；

比例电阻器，其连接在所述第一节点和第一感应节点之间；

第一电流源，其根据一偏压输出第一电流到所述第一感应节点；

第二结，其在第二节点上产生第二电压，其对温度具有敏感性；

第二电流源，其根据所述偏压输出第二电流到所述第二节点；

误差放大器，其比较所述第一感应节点和所述第二节点，以产生所述偏压；

第三电流源，其根据所述偏压输出第三电流；

第一电流沉，其吸入所述第三电流，以产生第二偏压，所述第二偏压调整所述第一电流沉以吸入所述第三电流；

第二电流沉，其接收所述第二偏压，产生第二吸入电流，其从一个倍增节点吸入；

倍增电阻器，其连接在所述倍增节点和一个输出之间；

放大器，其以所述倍增节点为第一输入，以接收一个参考电压为第二输入，所述放大器根据所述参考电压和所述倍增节点上电压之间的差值，而驱动所述输出。

2.如权利要求1所述的温度传感器电路，其中所述输出表示所述第一结和所述第二结的温度。

3.如权利要求2所述的温度传感器电路，其中所述输出具有一个对温度的敏感度，所述敏感度与一个比值成比例，所述比值是所述倍增电阻器的电阻与所述比例电阻器的电阻的比值。

4.如权利要求3所述的温度传感器电路，还包括：

第四电流源，其根据所述偏压输出第四电流，其中所述第四电流传送到所述输出。

5.如权利要求3所述的温度传感器电路，其中所述第一、第二、第三电流源每个都包括：

第一晶体管，其沟道连接在一个电源和一个中间节点之间，其栅极接收所述偏压；

第二晶体管，其沟道连接在所述中间节点和一个电流传送节点之间，其栅极接收所述偏压；

其中所述电流源输出的电流流到所述电流传送节点，因此所述第一和第二晶体管是串联的。

6.如权利要求5所述的温度传感器电路，其中所述第一晶体管是p沟道晶体管，所述第二晶体管是p沟道晶体管。

7.如权利要求3所述的温度传感器电路，其中所述第一结是PNP晶体管，其有一接地的基极和一接地的集电极，和一连接到所述第一节点的发射极；其中所述第二结是PNP晶体管，其有一接地的基极和一接地的集电极，和一连接到所述第二节点的发射极。

8.如权利要求3所述的温度传感器电路，其中所述第一结比第二结大N倍，其中N大于0。

9.如权利要求8所述的温度传感器电路，其中所述输出对温度的敏感度与N的自然对数成比例。

10.如权利要求3所述的温度传感器电路，其中所述第二电流沉比所述第一电流沉大M倍，其中M是镜像因子，至少等于1，其中所述输出对温度的敏感度与M成比例。

11.一种差分温度传感器电路，包括：

第一结装置，其有一p-n结，根据一个温度的函数，所述p-n结从第一节点吸入电流；

比例电阻器，其连接在所述第一节点和第一感应节点之间；

第一电流源，其根据一偏压产生第一电流，从所述第一电流源流到所述第一感应节点；

第二结装置，其有一p-n结，根据一个温度的函数，所述p-n结从第二节点吸入电流；

第二电流源，其根据所述偏压产生第二电流，从所述第二电流源流到所述第二节点；

差值放大器，其比较所述第一感应节点和所述第二节点的电压，根据一个所述第一感应节点和所述第二节点之间的电压差的函数，而产生所述偏压；

差分放大器，其有第一差分输入、第二差分输入、第一差分输出、和第二差分输出；

第三电流源，其根据所述偏压从所述第三电流源产生第三电流；

第一电流沉，其吸入所述第三电流到地，以产生一个镜像电压；

第二电流沉，其根据所述镜像电压产生第一镜像电流到地，所述第一镜像电流应用到所述差分放大器的所述第二差分输入上；

第一倍增电阻器，其连接在所述差分放大器的所述第一差分输入和所述差分放大器的所述第二差分输出上；

第二倍增电阻器，其连接在所述差分放大器的所述第二差分输入和所述差分放大器的所述第一差分输出上；

第五电流源，其根据所述偏压产生第五电流，所述第五电流应用到所述差分放大器的所述第一差分输入上。

12.如权利要求11所述的差分温度传感器电路，其中所述差分放大器还包括一个共模输入，其接收一共模参考电压，所述共模输入设定所述第一和第二差分输出的共模电压。

13.如权利要求11所述的差分温度传感器电路，还包括：

第四电流源，其根据所述偏压产生第四电流，所述第四电流应用到所述差分放大器的所述第一差分输出上；

第三电流沉，其根据所述镜像电压吸入第三电流，所述第三电流应用到所述差分放大器的所述第二差分输出上。

14.如权利要求11所述的差分温度传感器电路，其中所述第一差分输出和所述第二差分输出有一具有温度敏感度的电压差，其与一比值成比例，该比值是所述第一倍增电阻器和所述第二倍增电阻器的电阻值之和对所述比例电阻器的电阻值的比值；

其中所述第二电流沉比所述第一电流沉大M倍，其中M是镜像因子，至少等于1；

其中所述第一和第二差分输出对温度的敏感度与M成比例。

15.如权利要求11所述的差分温度传感器电路，其中所述第一结装置是PNP晶体管，其有接地的基极和接地的集电极，以及与所述第一节点连接的发射极；

其中所述第二结装置是PNP晶体管，其有接地的基极和接地的集电极，以及与所述第二节点连接的发射极。

16.如权利要求11所述的差分温度传感器电路，其中所述第一结装置比第二结装置大N倍，其中N大于0；

其中所述第一和第二差分输出对温度的敏感度与N的自然对数成比例。

17.一种温度传感器，包括：

第一结装置，用于在第一节点产生第一电压，其对温度具有敏感度；

比例电阻器，其连接在所述第一节点和第一感应节点之间；

第一电流源装置，其根据一偏压输出第一电流到所述第一感应节点；

第二结装置，用于在第二节点产生第二电压，其对温度具有敏感度；

第二电流源装置，其根据所述偏压输出第二电流到所述第二节点；

误差放大器装置，用于比较所述第一感应节点和所述第二节点以产生所述偏压；

第三电流源装置，其根据所述偏压输出第三电流；

第一电流沉装置，用于吸入所述第三电流以产生第二偏压，其调整所述第一电流沉以吸入所述第三电流；

第二电流沉装置，其接收所述第二偏压，用于产生第二吸入电流，其从一倍增节点吸入；

倍增电阻器，其连接在所述倍增节点和一输出之间；

放大器装置，其接收所述倍增节点和一参考电压，根据所述参考电压和所述倍增节点上电压之间的电压差，而驱动所述输出；

其中所述输出表示一温度，并具有温度敏感度，其与一比值成比例，所述比值是所述倍增电阻器的电阻值对所述比例电阻器的电阻值的比值。

18.如权利要求17所述的温度传感器，其中所述第一结装置产生的电流比所述第二结装置产生的电流大N倍，其中N大于0；

其中所述第一电流源装置比所述第二电流源装置大N倍；

其中所述输出对温度的敏感度与N的自然对数成比例。

19.如权利要求17所述的温度传感器，其中所述第二电流沉装置比所述第一电流沉装置大M倍，其中M是一镜像因子，至少等于1；其中所述输出对温度的敏感度与M成比例。

20.如权利要求19所述的温度传感器，其中所述放大器装置还包括一装置，其驱动所述输出到一直流偏压，所述直流偏压由所述参考电压确定，与由所述倍增电阻器和所述比例电阻器的电阻值之比值确定的温度敏感度无关；因此直流偏压能够独立确定，与温度敏感度无关。