一種溫度傳感器芯片的分析與仿真

葉 綠

（集美輕工業學校， 福建 集美 361022）

一種溫度傳感器芯片的分析與仿真

葉 綠

（集美輕工業學校， 福建 集美 361022）

在人們的日常生活中，存在著各種各樣的傳感器，如溫度傳感器、重力傳感器、光線傳感器等。這些傳感器使得我們的各種電子設備更加的智能化，使得萬物互聯成為可能，可以說，各種各樣的傳感器正如我們人類的各種感官一樣，用以感知不同類型的信號，并將它們轉換為電子線路能夠處理的電信號。

文章中，將以用途廣泛的溫度傳感器芯片為例子，介紹模擬集成電路中常用的幾個單元模塊的工作原理，介紹該種溫度傳感器芯片的內部電路結構并給出了具體電路模塊及整體電路的仿真波形。

IC溫度傳感器；三極管測溫；電流鏡電路；基準電路

1 溫度感應的原理

溫度感應的關鍵是將溫度的變化轉換為電量的變化，根據研究表明，在三極管的集電極電流保持不變的情況下，利用三極管發射極—基極PN結的溫度特性可以實現溫度—電壓的轉換。為了便于對測溫電路的工作原理進行清楚的闡述，首先對晶體管的PN結的溫度特性作一說明。晶體管的PN結結電壓Vbe隨溫度變化而變化，硅三極管的發射結結電壓Vbe與絕對溫度T和集電極電流Ic之間關系如下：

式（1）中 ：Eg——PN結的禁帶寬度；

α——與基極偏壓有關的常數；

γ——由基區少數載流子的溫度特性決定的常數；

Q—— 單位電荷；

K——波耳茲曼常數；

因此，當Ic恒定時，在溫度不太高的情況下，Vbe與溫度T成線性關系。

圖1給出了硅PN結的溫度特性曲線。由曲線①可以看出，當溫度低于200℃時，結電壓與溫度有良好的線性關系，可用作溫度傳感器，實現溫度—電壓（T－V）轉換。曲線②表示PN結的結電壓對溫度的偏導數，實際上就是PN結的溫度系數，在150℃以下范圍內，這個溫度系數約為-5mV/℃。

圖1 硅PN結的溫度特性

2 電流源電路

由式（1）可以看出，Vbe與溫度T成線性關系的重要前提條件是三極管的集電極電流Ic保持不變，因此，為了保證溫度測量的精度，必須產生一個穩定不變的集電極電流Ic。在CMOS工藝中，通常使用的是電流源電路。電流源電路在模擬電路中有十分廣泛的應用，它既可以作為偏置單元也可以作為信號處理單元。在模擬集成電路中，電流源的設計是基于對“基準”電流的“復制”，一個相對比較復雜的電路被用來產生一個穩定的基準電流IREF，這個基準電流再被復制，從而得到電路中所需要的多個電流源。使用電流鏡技術就可以相對“精確”的復制基準電流IREF。

2.1 基本電流鏡電路

圖2 基本電流鏡電路

圖2所示的就是一個基本電流鏡的電路圖，根據場效應管的基礎知識，當M1和M2工作在飽和區時，IREF和Iout分別滿足式（2）和式（3）關系：

式（2），（3）中：μn——n溝道場效應管的載流子遷移率，

Cox——單位面積的柵氧化層電容，

VTH——n溝道場效應管的閾值電壓，

這3個參數屬于與集成電路工藝密切相關的常數。

W——場效應管柵的寬度，

L——柵的長度，

VGS——柵極和源極之間的電壓。

由電路可以看到，M1和M2的VGS是一樣的，同時由于是同一芯片工藝相同，所以M1和M2的μn、Cox和VTH也相同。因此由式2和式3可以得到:

由式（4）可以看到，最終的輸出電流Iout僅與基準電流IREF、M1和M2柵的寬長比的比值有關，在現代集成電路工藝中，該值可以被精確的控制，從而Iout可以實現對IREF的精確“復制”（帶比例常數）而不受工藝和溫度的影響。

2.2 共源共柵電流鏡

在圖2基本電流鏡的介紹中，我們忽略了溝道長度調制，在實際的應用中，溝道長度調制效應將使得鏡像的電流產生較大的誤差，尤其是在短溝道的場效應管電路中。在圖2基本電流鏡中，如果考慮了溝道長度調制效應，流過M1、M2管的電流分別為：

式（5），（6）中：λ——溝道長度調制系數，

VDS——為漏極和源極之間的電壓。

因此式（4）將變成以下形式：

輸出電流Iout除了與基準電流IREF、M1和M2柵的寬長比的比值有關還與λ、VDS相關，在圖2電路中無法保證VDS1和VDS2相同且VDS與電源電壓、負載相關，所以鏡像后的電流將產生較大的誤差。為了抑制溝道長度調制效應，關鍵在于使得VDS1和VDS2相同，為此可以采用共源共柵類型的電流鏡電路。

如圖3所示即為共源共柵電流鏡的電路圖，由圖3中分析可以得到，VGS0+VX=VGS3+VY，選擇合適的尺寸使得，則VGS0=VGS3，從而VX=VY即VDS1=VDS2。此時式（7）中的項可以約掉，消除了溝道長度調制的影響，實現了Iout對IREF的精確“復制”。

圖3 共源共柵電流鏡電路

3 帶隙基準

模擬電路中廣泛的存在電壓基準和電流基準，如上文介紹的電流源的產生實際上是使用電流鏡電路對基準電流進行鏡像，從而得到電源電壓及溫度特性良好的偏置電流。產生基準的目的是要建立一個與電源、工藝及溫度無關的直流電壓或者電流，而大多數的工藝參數是隨著溫度變化的，因此如果一個基準是與溫度無關的，那么通常它也是與工藝無關的。設計與溫度無關基準的一種基本思想是：找到兩個溫度系數相反的量，然后將它們以一定的權重進行相加，得到的和就可能是與溫度無關的。

3.1 正溫度系數電壓

如果2個三極管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極-發射極電壓之差△VBE與絕對溫度成正比。

圖4 正溫度系數電壓電路圖

如圖4所示，如果2個相同的三極管（IS1=IS1，IS為三極管的飽和電流）偏置的集電極電流分別為n?Io和Io時，由于則在忽略基極電流的條件下

由式（8）可以得到△VBE為正溫度系數電壓，其溫度系數為

3.2 帶隙基準電壓的產生

圖5 帶隙基準電壓電路圖

由式（8）和式（9）的分析我們得到工作在不同電流密度下的三極管的VBE之間的差值△VBE是一個正溫度系數的電壓，而由式（1）的分析可得三極管的VBE本身是一個負溫度系數的電壓，所以，在電路的設計中我們將△VBE與VBE以合適的權重進行相加，可以得到與溫度無關的輸出電壓。如圖5所示，圖5為與溫度無關的帶隙基準電壓產生的電路圖。M1～M5構成電流鏡電路，從前面電流鏡電路的分析中可以知道，選擇合適的尺寸可以使得電路中的VX=VY，再由圖5的電路分析可得VX=VBE1而，VY=VBE2+ID4R1，又由于ID5是ID4的鏡像，所以可以得到

且Vout=VBE3+ID5R2，所以最終

由式（11）可以看到，最終的輸出電壓Vout為負溫度系數的VBE3與正溫度系數的△VBE之和，我們只需選擇合適的R2與R1的比值，將會得到與溫度無關的電壓基準輸出。

4 溫度傳感器電路分析及仿真

4.1 電路模塊原理框圖

圖6 電路原理框圖

如圖6所示，電路由啟動及偏置電路模塊、溫度感應電路模塊、輸出放大器模塊構成。啟動及偏置電路主要作用是為整個芯片其他功能模塊提供合適的偏置電壓及偏置電流使電路具有合適的靜態工作點。溫度感應電路功能是將溫度變化線性的轉換為電壓的變化。輸出放大器的作用是將溫度感應電路輸出的代表溫度的電壓進行緩沖，并提供一定的驅動能力將信號輸出到下一級。以下是對各個模塊電路的具體分析。

4.2 啟動及偏置電路模塊

圖7 啟動及偏置電路模塊電路圖

啟動及偏置電路具體如圖7所示，作為偏置電路，其作用是為電路的其它模塊提供與電源無關（不受電源電壓波動影響）的偏置電壓及偏置電流。啟動電路的功能是在電路上電的時候，提供某些晶體管的從電源到地的電流回路，防止場效應晶體管進入零電流的截止平衡狀態。而在電路啟動后，偏置電壓和電流正常后，啟動電路應該能夠從偏置電路中斷開，也就是啟動電路僅在電路上電的一小段時間內起作用，當偏置電路進入正常工作狀態后就從電路中斷開。圖7中P120、P119、P118、N121、P93、P110、R22、N117、P126、N120、P124、N119、P123、P121、P122組成啟動電路，具體的工作過程如下：電路啟動時，P120、P119、P118拉高N117柵極電位，N117導通，P126和N120構成的反相器輸出高電平，因此N119導通，P121、P122灌入電流。當偏置電流達到正常值，N121導通，把N117柵極拉低，反相器輸出為低，N119截止，P121、P122、P123及P124的柵極為高電平，所以P122、P123及P124截止，從而啟動電路與偏置電路斷開。

P79、P80、P81、P101、P109、P102、N116、N114、N112、N76、N74、N72、R8、Q16、Q20、Q25、Q26、Q27四條支路組成以熱電壓VT為基準的偏置電路，偏置電壓由N114和N116的漏極輸出，偏置電流大小由Q16、Q20的發射極電流密度比和R8的阻值決定。為了保證輸出偏置電壓的精度，應該在版圖設計時在R8附近做好備用電阻及備用三極管以供調節。

圖8 啟動電路仿真波形

如圖8所示，Vin電壓（電源電壓）上升，啟動信號test1為高，Vin上升到約為2V，電路正常工作，test2達到預定值1V左右，把test1拉低，啟動電路與偏置電路脫離。

圖9 偏置電流的溫度掃描仿真波形

作為整個電路的偏置電流應該具有良好的溫度穩定性。圖9為偏置電流的溫度掃描波形，如圖9所示，當溫度從-60°C到130°C變化時（橫軸），偏置電流由1.6uA變化到約1.1uA, 溫度系數小于-0.3nA/°C，偏置電流具有較好的溫度穩定性。

圖10 偏置電流的電源電壓掃描仿真波形

作為整個電路的偏置電流，當電源電壓波動時，應該保持較好的穩定性。圖10是偏置電流的在電源電壓變化的情況下的掃描波形。如圖10所示，當電源電壓在工作范圍內（2.4V至5.5V）變化時，偏置電流的變化很小，基本不受電源電壓波動的影響。

4.3 溫度感應電路模塊

圖11 溫度感應模塊電路圖

如圖11所示，Q12、Q8、Q4、Q0為溫度感應電路的感溫管，由4個感溫管采用如圖所示的連接方式同時工作可以提高電路的溫度敏感性，其感溫的原理在上文中已經有詳細描述。P85、P117、N067和N068產生的電流分別由N069、N075、N070、N076、P38、P60、P53、P65、P58、P63、P56、P61、P54、P40鏡像后，提供給各個感溫管作為感溫管的集電極電流IC，感溫管工作時為了保證產生隨溫度線性變化的電壓，要求IC保持穩定，而在偏置電路模塊的分析中，我們已經看到偏置電流具有良好的溫度及電源電壓波動穩定性，因此，由偏置電流鏡像產生的感溫管的工作電流IC也能保持溫度及電源電壓穩定性，從而保證了由Q0輸出的溫度感應電壓能隨溫度線性的變化。

4.4 輸出運算放大電路模塊

圖12 輸出運算放大電路模塊電路圖

由溫度感應電路產生的感應電壓由于溫度感應電路的降噪、驅動能力等不足，無法直接作為輸出電壓使用，因此需要通過放大電路的緩沖及提供較大的驅動能力以供后級電路使用。在模擬電路中，使用最多的放大器應該是運算放大器，運放具有高增益、高輸入阻抗等優點，大量的具有不同復雜程度的運放被用來實現不同的功能：從直流偏置的產生到高速放大或者濾波。電路使用的運放是寬輸入擺幅的高增益二級運放：P25、N35、N32、P24、P30、P34給放大器提供偏置電流。N4、N5、P31、P35，P0、P1、N91、N94、N103、N98分別組成2個差分輸入對，2個差分對作為輸入級可以增加放大器的輸入擺幅,差動對的輸入端中，一端輸入感溫信號（VTS），一端接輸出Vo的反饋。P16、N27組成共源放大級，提供高增益。感溫信號VTS輸入到放大器，輸出大小相等的電壓Vo，輸出端V0通過R15反饋到運放輸入端形成負反饋。C0、C1、R5提供頻率補償，提高運放的穩定性，防止自激振蕩。如圖13所示，在電源工作電壓5V的條件下,運放的輸出（V0）在輸入信號從1V到4V的大幅度變化范圍內跟隨輸入變化（VTS）,可以起到緩沖的作用。圖14是運放的負載電流掃描圖，當負載電流達到1mA附近，輸出電壓下降到95%。

圖13 運放輸入輸出仿真波形

圖14 運放負載電流掃描圖

圖15 整體電路圖

圖16 整體電路啟動仿真圖

圖17 輸出電壓溫度掃描圖

4.5 整體電路

圖15是溫度傳感器的整體電路圖。

圖16為整體電路啟動時的仿真波形圖，當電源電壓Vin上升到2.4V左右，輸出電壓Vo達到預定值，電路進入正常工作狀態。圖17為溫度變化時，輸出電壓的波形圖，由圖可以看到，輸出電壓Vo與溫度成反比，溫度系數為-11.47mV/oC，輸出電壓和溫度成良好的線性關系，由此可見該電路能夠很好的完成溫度檢測的功能。

5 結語

溫度傳感器廣泛的應用于工業檢測、安防、智能家居等生活生產的各個方面，在文章中介紹了一種溫度傳感器芯片的內部電路結構及工作原理并對電路進行了仿真。該種溫度傳感器采用0.6um的CMOS制程，最高耐壓為6.5V，溫度測量范圍由-55～130℃，芯片的靜態工作電流低至10uA，具有低功耗、測溫精度高等特點。未來的溫度傳感器將朝著更加智能化、小型化及低功耗方向發展。

[1] 徐劍蕓，魯浩. 一種慣性測量組件實時測溫電路的研究及設計[J]. 中國慣性技術學報, 2002,(10),6.

[2] 畢查德.拉扎維. 模擬CMOS集成電路設計[M]. 陜西：西安交通大學出版社。

[3] 秦世才，高清云. 模擬集成電子學[M]. 北京：科學出版社.

10.3969/j.issn.1007-550X.2015.10.01

TN401

A

1007-550X（2015）10-0042-06

2015-09-03

葉綠（1979-），男 ，福建漳州人，中級講師，主要從事中職學校電工電子教學工作。