CN111240391A - 一种低电源电压大斜率温度传感器电路 - Google Patents

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Abstract

一种低电源电压大斜率温度传感器电路，包括四个电流源，两个二极管串联电路，四个NMOS管和两个电阻，四个电流源的正端接电源正极；第一二极管串联电路的负端接地，正端接第一电流源的负端；第二二极管串联电路的正端接第二电流源的负端，负端接第一NMOS管的漏端并通过第一电阻接第一电流源的负端；第三电流源的负端与第一NMOS管的栅端及第二NMOS管的漏端和栅端相连；第四电流源的负端与第三NMOS管的栅端及第四NMOS管的漏端和栅端相连；第二电阻的一端接第二电流源的负端，另一端与第三NMOS管的漏端相连后作为传感器输出端；四个NMOS管的源端接地。本发明能够在较低的电压下运行，且提高了传感器的灵敏度。

Description

一种低电源电压大斜率温度传感器电路
技术领域
本发明涉及一种低电源电压、高灵敏度（大斜率）的集成式温度传感器电路，属于半导体器件技术领域。
背景技术
温度传感器可以探测环境温度，输出相应的电压信号。在电子***中，温度传感器的应用十分广泛。例如电脑、手机、平板等各类电子设备中都需要温度传感器探测环境温度。在这些电子产品中，温度传感器常常集成在芯片中。常用集成式温度传感器的结构如图1所示，其原理是利用三极管基极-发射极电压的负温度特性来实现对温度的测量。温度传感器输出的线性电压为：
其中V BE代表三极管的基极-发射极电压，具有负温度特性。输出电压V T具有负温度特性，即随着温度的升高，输出电压值减小。然而该温度传感器电路存在两个缺点：一是输出线性电压随温度变化的斜率较小，传感器的灵敏度不高；二是通过叠加二极管来提高输出线性电压范围，需要更高的电源电压。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种低电源电压大斜率温度传感器电路，以提高传感器的灵敏度，降低传感器的电源电压。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种低电源电压大斜率温度传感器电路，包括四个电流源，两个二极管串联电路，四个NMOS管和两个电阻，四个电流源的正端接电源正极；第一二极管串联电路的负端接地，正端接第一电流源的负端；第二二极管串联电路的正端接第二电流源的负端，负端接第一NMOS管的漏端并通过第一电阻接第一电流源的负端；第三电流源的负端与第一NMOS管的栅端及第二NMOS管的漏端和栅端相连；第四电流源的负端与第三NMOS管的栅端及第四NMOS管的漏端和栅端相连；第二电阻的一端接第二电流源的负端，另一端与第三NMOS管的漏端相连后作为传感器输出端；四个NMOS管的源端接地。
上述低电源电压大斜率温度传感器电路，所述四个电流源为温度系数相同的PTAT（proportional to absolute temperature,与绝对温度成正比）电流源，第一电流源、第二电流源和第三电流源的电流均为第四电流源的电流的两倍。
上述低电源电压大斜率温度传感器电路，第一NMOS管与第二NMOS管的宽长比及尺寸均相同；第三NMOS管与第四NMOS管的宽长比及尺寸相同。
上述低电源电压大斜率温度传感器电路，所述第一二极管串联电路包括三个二极管，第一二极管的正端接第一电流源的负端，负端接第二二极管正端，第三二极管的负端接地，正端接第二二极管负端。
上述低电源电压大斜率温度传感器电路，所述第二二极管串联电路包括第四二极管和第五二极管，第四二极管的正端接第二电流源的负端，第五二极管的正端接第四二极管的负端，负端接第一NMOS管的漏端并通过第一电阻接第一电流源的负端。
本发明具有如下有益效果：本发明对温度传感器电路进行了合理改进，使传感器能够在较低的电源电压下运行，且输出信号随温度变化的斜率更大，输出线性电压范围更宽，从而有效提高了传感器的灵敏度。
附图说明
图1为传统集成式温度传感器电路示意图；
图2为本发明集成式温度传感器电路示意图；
图3为本发明电路输出电压温度特性曲线图。
图中各标号清单为：CS、PTAT电流源，CS1～CS4、第一电流源～第四电流源，Q1、三极管，D1～D5、第一二极管～第五二极管，M1～M4、第一NMOS管～第四NMOS管，R1、第一电阻，R2、第二电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明提供了一种低电源电压大斜率温度传感器电路，该电路解决了现有温度传感器电路电压温度特性曲线斜率小和输出线性电压范围小的技术问题。
参看图2，本发明包括四个PTAT电流源（即第一电流源CS1～第四电流源CS4）、五个二极管（即第一二极管D1～第五二极管D5）、四个NMOS管（即第一NMOS管M1～第四NMOS管M4）、第一电阻R1和第二电阻R2。
第一电流源CS1～第四电流源CS4的正端都接电源电压VDD，第一电流源CS1负端与第一二极管D1正端相连，第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3串联，第三二极管D3的负端接地；
第二电流源CS2负端与第四二极管D4正端相连，第四二极管D4和第五二极管D5串联，第五二极管D5的负端与第一电阻R1的一端和第一NMOS管M1的漏端相连；
第三电流源CS3负端与第二NMOS管M2的漏端和栅端相连；
第四电流源CS4负端与第四NMOS管M4的漏端和栅端相连；
第一电阻R1的一端与第一二极管D1的正端相连，另一端与第五二极管D5的负端和第一NMOS管M1的漏端连在一起；
第二电阻R2的一端与第四二极管D4的正端相连，另一端与第三NMOS管M3的漏端相连；
第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3和第四NMOS管M4的源端都接地，第一NMOS管M1的栅端与第二NMOS管M2的栅端和漏端连接在一起，第三NMOS管M3的栅端与第四NMOS管M4的栅端和漏端连接在一起；
第一电流源CS1～第四电流源CS4为相同温度系数的正温度特性电流源，第一PTAT电流源CS1、第二PTAT电流源CS2和第三PTAT电流源CS3的电流相等，都是第四PTAT电流源CS4电流的两倍。
第一NMOS管M1与第二NMOS管M2的宽长比及尺寸设置相同，第三NMOS管M3与第四NMOS管M4宽长比及尺寸设置相同。
第一二极管D1正端的负温度系数电压V1减去第一电阻R1两端的正温度系数电压得到第二负温度系数电压V2,V2加上二极管D4和D5两端的负温度系数电压得到第三负温度系数电压V3,V3减去第二电阻R2两端的正温度系数电压得到第四负温度系数电压，即输出电压VOUT，并获得更大的负温度系数。
第一二极管D1正端的负温度系数电压V1公式表示如下：
其中V BE代表三极管的基极-发射极电压，具有负温度特性。
所述第二负温度系数电压V2公式表示如下：
其中I PTAT代表和温度成正比的电流，第一电阻R1为设定的固定电阻。
第三负温度系数电压V3公式如下：
输出电压VOUT公式如下：
设置第一电流源CS1～第三电流源CS3的I PTAT在27 oC为4µA,正温度特性为0.02µA/oC，第四电流源CS4的I PTAT在27 oC为2µA,正温度特性为0.02µA/oC，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值都为200K，第一NMOS管M1～第四NMOS管M4的尺寸都为10/5（µm），电源电压为4.5V，通过Cadence Spetre 仿真得到如图3所示的仿真图，仿真表明在温度范围从-40 oC到125 oC，标准工艺角（tt corner）下产生的输出电压负温度变化斜率的大小为17.2mV/oC，输出线性电压范围0.97V～3.82V。该电路正常工作电源电压要求低，温度变化斜率大，输出线性电压范围大，传感器灵敏度高。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，根据本发明公开的技术启示所做出的各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低电源电压大斜率温度传感器电路，其特征是，包括四个电流源，两个二极管串联电路，四个NMOS管和两个电阻，四个电流源的正端接电源正极；第一二极管串联电路的负端接地，正端接第一电流源（CS1）的负端；第二二极管串联电路的正端接第二电流源（CS2）的负端，负端接第一NMOS管（M1）的漏端并通过第一电阻（R1）接第一电流源（CS1）的负端；第三电流源（CS3）的负端与第一NMOS管（M1）的栅端及第二NMOS管（M2）的漏端和栅端相连；第四电流源（CS4）的负端与第三NMOS管（M3）的栅端及第四NMOS管（M4）的漏端和栅端相连；第二电阻（R2）的一端接第二电流源（CS2）的负端，另一端与第三NMOS管（M3）的漏端相连后作为传感器输出端；四个NMOS管的源端接地。
2.根据权利要求1所述的低电源电压大斜率温度传感器电路，其特征是，所述四个电流源为温度系数相同的PTAT电流源，第一电流源（CS1）、第二电流源（CS2）和第三电流源（CS3）的电流均为第四电流源（CS4）的电流的两倍。
3.根据权利要求1或2所述的低电源电压大斜率温度传感器电路，其特征是，第一NMOS管（M1）与第二NMOS管（M2）的宽长比及尺寸均相同；第三NMOS管（M3）与第四NMOS管（M4）的宽长比及尺寸相同。
4.根据权利要求3所述的低电源电压大斜率温度传感器电路，其特征是，所述第一二极管串联电路包括三个二极管，第一二极管（D1）的正端接第一电流源（CS1）的负端，负端接第二二极管（D2）正端，第三二极管（D3）的负端接地，正端接第二二极管（D2）负端。
5.根据权利要求4所述的低电源电压大斜率温度传感器电路，其特征是，所述第二二极管串联电路包括第四二极管（D4）和第五二极管（D5），第四二极管（D4）的正端接第二电流源（CS2）的负端，第五二极管（D5）的正端接第四二极管（D4）的负端，负端接第一NMOS管（M1）的漏端并通过第一电阻（R1）接第一电流源（CS1）的负端。
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