CMOS线性型、开关型温度传感器的设计与研制

摘要

随着集成电路芯片特征尺寸越来越小，芯片集成度迅速提高，器件密度、能耗密度也越来越大。功耗越大，热量散发到周围环境中也越慢，芯片温升也越显著。研究表明，芯片温度平均每升高l℃，MOS管的驱动能力将下降约4％，连线延迟增加5％，集成电路失效率增加一倍.与此同时，片上测温集成温度传感器也因各类电子产品的便携化而趋灼热.为保证集成电路性能和提高芯片可靠性，结构简单，移植性强，适用范围广并能在切断过热单元工作电源的同时显示电路局部温度的片上线性型、开关型温度传感器的设计就显得极为重要，这在大功率电路中尤为突出. 本文设计的线性型、开关型温度传感器采用CSMC 5V 0.6μm标准CMOS工艺研制，可根据设定的温度切断过热单元的工作电源，同时显示电路局部温度，实现过温保护和温度实时检测。其最大特点是关断温度可由外接可调电阻设定。 开关型温度传感器部分包括带隙基准源，PTAT电路，缓冲隔离电路及比较器。芯片测试结果表明在25-130℃温度范围内PTAT输出电压线性度良好(最大偏差小于1.6％)，灵敏度约为10mV/℃；带隙基准源输出电压电源抑制比为37.5dB，温度系数为137ppm/℃；比较器关断温度可由外接电阻设定，85℃以下实测值与设定值偏差小于5℃，85℃以上偏差稍大约为10℃。电源电压在4.5～5.5V内变化时，PTAT测温模块Vptat2输出电压波动35mV，占标称值0.89％；26～55℃温度范围内Vptat 2输出电压灵敏度9.88mV/℃，线性度良好；55～80℃温区内性能有所下降. 本文所设计的开关型、线性型温度传感器电路结构简单，移植性强，可广泛应用于大功率LED照明驱动电路，电源管理芯片等场合，实现大功率MOS管的温度监测和过热保护，也可用于和MOS功率器件混合封装组成带过温保护的功率器件模块。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论-半导体集成温度传感器及处理电路的发展情况及现状总结

1.1温度传感器的发展及分类

1.1.1传统的分立式温度传感器

1.1.2半导体集成温度传感器

1.1.3智能温度传感器

1.2温度传感器的国内外发展现状

1.2.1国内发展现状

1.2.2国外发展现状

1.3温度传感器的发展趋势

1.4本章小结

2 CMOS集成温度传感电路的设计及仿真

2.1开关型温度传感电路的设计

2.1.1 PTAT电路设计

2.1.2带隙基准电压源的设计

2.1.3缓冲隔离电路的设计

2.1.4比较器的设计

2.1.5开关型温度传感器的整体功能仿真

2.2线性型温度传感器的设计

2.2.1线性型温度传感器的设计原理

2.2.2线性型温度传感器的电路结构

2.2.3运算放大器的设计

2.2.4线性型温度传感电路总体功能仿真

2.3本章小结

3版图设计

3.1工艺介绍

3.2开关型温度传感器版图设计

3.2.1 PTAT电路版图设计

3.2.2带隙基准电压源的版图设计

3.2.3比较器版图设计

3.2.4开关型温度传感器整体版图设计

3.3线性型温度传感器版图设计

3.3.1运算放大器版图设计

3.3.2线性型温度传感器整体版图设计

3.4版图绘制中抑制串扰和降低噪声的考虑

3.5芯片整体版图布局设计

3.6本章小结

4芯片测试结果与分析

4.1电路测试方案

4.1.1芯片封装管脚介绍

4.1.2可测性分析

4.1.3测试仪器及元器件

4.2开关型温度传感器的测试

4.2.1带隙基准源电路的测试

4.2.2 PTAT电路的测试

4.2.3缓冲隔离电路测试

4.2.4比较器电路测试(整体电路测试)

4.2.5开并型温度传感器电路应用测试

4.3线性型温度传感器的测试

4.4本章小结

5总结与展望

5.1电路设计总结

5.2电路改进方案

5.2.1比较器电路的改进

5.2.2 PTAT电路的改进

5.2.3带隙基准源温漂的改进

5.2.4运算放大器降低失调电压的改进

5.3今后工作展望

5.4本章小结

参考文献

科研成果

致谢