一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器

摘要

本发明公开了一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，至少包括：启动电路，包括三个P型MOS晶体管，于系统正常工作时消耗的电流为pA级，该启动电路用于防止电路锁定工作在截止状态；与温度相关的电流产生电路，与该启动电路连接，该与温度相关的电流产生电路利用MOS管的亚阈值特性，产生一功耗低且与温度相关的电流；温度感应电路，通过电流镜将该与温度相关的电流产生电路所产生的电流提供给一基极-集电极短接的PNP晶体管，在该PNP晶体管发射极产生一与温度线性相关的电压，通过本发明，实现了一种基于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度温度传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种温度传感器电路，特别是涉及一种低功耗、高线性度的 CMOS温度传感器。

背景技术

温度是一个基本的物理现象，它是生产过程中应用最普通、最重要的工艺 参数，无论是工农业生产，还是科学研究和国防现代化，都离不开温度测量， 因此，在各种传感器中，温度传感器是应用最广泛的一种。集成温度传感器是 在20世纪80年代问世的，它是在PN结温度传感器的基础上发展起来的，具有 体积小，稳定性好和价格低廉等特点。

目前，CMOS集成温度传感器的主要实现方式包括：基于MOS管的温度 传感器以及基于CMOS工艺下的寄生双极型晶体管(BJT)的CMOSBJT温 度传感器。常见的基于MOS管的温度特性实现温度传感器的方法有两种：1) 利用处于亚阈值状态的MOS管的漏源电流具有与绝对温度成正比(PTAT)的 特性来实现温度传感。由于MOS管在高温情况下，其自身的泄漏电流非常明 显，使得高温下处于亚阈值状态下的MOS管的漏源电流所具有的PTAT特性 受到严重影响，因此利用MOS管的亚阈值电流的PTAT特性的这种方法来实 现的温度传感器的测温范围不能太宽，否则会严重影响其测温精度；2)利用 强反型状态下MOS管中的载流子迁移率以及阈值电压依赖于温度这样的温度 特性来实现温度传感器。这种方法的优点是温度精度很好，主要缺点在于受工 艺波动的影响较大，在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作。CMOS BJT温度传感器是利用CMOS工艺下的寄生双极型晶体管产生正比于温度的 电压特性来实现温度的检测。相比于MOS温度传感器，该结构线性度较好且工 艺稳定。功耗和精度是衡量CMOS集成温度传感器的主要技术指标，尽管如今 的CMOS集成温度传感器在这两项指标上比过去有了较大的进步，但是，现有 的CMOS集成温度传感器仍然存在功耗与精度不可兼顾的问题，因此，实有必 要提出一种技术手段，以解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种低功耗、 高线性度的CMOS温度传感器，实现了一种基于标准CMOS工艺的全集成低功 耗、高线性度的温度传感器，可用于温度监控。

为达上述及其它目的，本发明提出一种低功耗、高线性度CMOS温度传感 器，至少包括：

启动电路，包括三个P型MOS晶体管，于系统正常工作时消耗的电流为 pA级，该启动电路用于防止电路锁定工作在截止状态；

与温度相关的电流产生电路，与该启动电路连接，该与温度相关的电流产 生电路利用MOS管的亚阈值特性，产生一功耗低且与温度相关的电流；

温度感应电路，通过电流镜将该与温度相关的电流产生电路所产生的电流 提供给一基极-集电极短接的PNP晶体管，在该PNP晶体管发射极产生一与温 度线性相关的电压。

进一步地，该启动电路包括第六PMOS管、第七PMOS管以及第八PMOS 管，该第六PMOS管与该第七PMOS管源极接电源电压，该第七PMOS管漏极 接该与温度相关的电流产生电路，栅极接该第六PMOS管漏极，该第六PMOS 管栅极接该与温度相关的电流产生电路，该第八PMOS管栅漏相接组成反向二 极管，该反向二极管阴极接至该第六PMOS管漏极和该第七PMOS管栅极，阳 极接地。

进一步地，该与温度相关的电流产生电路包括第一PMOS管、第二PMOS 管、第三PMOS管、第一NMOS管、电流镜以及第五PMOS管，该第一PMOS 管、第二PMOS管、第三PMOS管源极接电源电压，该电流镜偏置端连接该第 二PMOS管漏极和第五PMOS管漏极，该电流镜输出端连接该第三PMOS管与 第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及该第一NMOS管栅极，该第一PMOS 管的栅漏相接组成正向二极管，并连接至该第二PMOS管、第三PMOS管与该 第六PMOS管栅极、该第一NMOS管漏极以及该温度感应电路，该第一NMOS 管源极接该电流镜，栅极接该第三PMOS管、第七PMOS管漏极、第五PMOS 管源极以及该电流镜输出端，该第五PMOS管栅极接地，其横向连接在该电流 镜偏置端和输出端之间。

进一步地，该电流镜包括第二NMOS管、第三NMOS管以及一偏置电阻， 该第二NMOS管栅漏相接组成正向二极管，其源极连接该偏置电阻至地而漏极 连接至该第二PMOS管以及该第五PMOS管漏极，该第三NMOS管栅极和该第 二NMOS管栅极相接，其源极接地而漏极接该第三PMOS管和第七PMOS管漏 极、第五PMOS管源极以及第一NMOS管的栅极。

进一步地，该温度感应电路由包括第四PMOS管和一PNP三极管，该第 四PMOS管源极接电源电压，栅极接该第二PMOS管、第三PMOS管与第六 PMOS管栅极、栅漏相接的第一PMOS管的栅极与漏极以及第一NMOS管的漏 极，以在栅极电压的控制下跟随该电流产生电路的电流，该第四PMOS管漏极 接该PNP三极管的发射极，该PNP三极管的基极和集电极相接组成正向二极管， 其发射极为该CMOS温度传感器的输出端。

与现有技术相比，本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器通过防 止电路锁定工作在截止状态的启动电路、利用MOS管亚阈值特性产生一与温度 相关的电流的与温度相关的电流产生电路以及将温度相关电流产生电路所产生 的与温度相关的电流提供给基极-集电极短接的PNP晶体管的温度感应电路，达 到了实现一种基于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度温度传感器的目 的。

附图说明

图1为本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器的电路结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术 人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明 亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基 于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

在介绍本发明之前，先说明一下本发明的理论基础：一个正向偏置、基极 -集电极短接PNP三极管(CMOS工艺下PNP管的集电极由衬底组成，必须接 地，且电流只能从发射极注入)，其发射极电流I_E与射-基结电压V_be之间的关系 可表示为：

$\left|V_{\mathrm{be}}\right|\approx V_T·\ln (I_C/I_S)=\frac{\mathrm{KT}}{q}·\ln (\frac{{\beta }_F}{{\beta }_{F+1}}·\frac{I_E}{I_S})---\left(1\right)$

式中K为波耳兹曼常数，q为库仑电荷，T为绝对温度，β_F为共发射极增 益，I_S为PN结的反向饱和电流。

由于β_F、I_S均是温度的函数，从而导致了V_be与温度非线性。由式(1)可知， 通过调节发射极电流I_E的温度特性可以有效降低V_be与温度非线性。

图1为本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器的电路结构图。如 图1所示，本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，包括：启动电路 10、与温度相关的电流产生电路20、温度感应电路30，其中，启动电路10由 三个P型MOS晶体组成，系统正常工作时消耗的电流极小(在pA级)，其用 于防止电路锁定工作在截止状态；与温度相关的电流产生电路20，用于利用MOS 管的亚阈值特性，产生一功耗低且与温度相关的电流，以达到降低功耗和补偿 温度感应电路温度特性的目的；温度感应电路30，通过将与温度相关的电流产 生电路20所产生的与温度相关的电流提供给基极-集电极短接的PNP晶体管， 在PNP晶体管发射极产生一与温度线性相关的电压。

具体地说，启动电路10由PMOS管PM6-PM8(称之为第六PMOS管PM6、 第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8)组成，与温度相关的电流产生电路 20由PMOS管PM1-PM3(称之为第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS 管)、NM1-NM3(称之为第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS 管NM3)、PM5(称之为第五PMOS管PM5)以及偏置电阻R1组成，温度感应电 路30由PM4(称之为第四PMOS管PM4)和PNP三极管PNP1组成，PMOS 管PM1-PM4、PM6-PM7源极接电源电压Vcc，NMOS管NM2、偏置电阻R1 和NMOS管NM3组成电流镜，NM2栅漏相接组成正向二极管，其源极连接电 阻R1至地而偏置端即栅漏短接端(二极管阳极)连接至PMOS管PM2以及PM5 漏极即节点B，NMOS管NM3栅极和NMOS管NM2栅极相接，其源极接地 而漏极输出端接PMOS管PM3、PM7漏极、PMOS管PM5源极以及NMOS管 NM1的栅极即节点D，PMOS管PM1的栅漏相接组成正向二极管，并连接至 PMOS管PM2-PM4、PMOS管PM6栅极和NMOS管NM1漏极即节点A，PMOS 管PM8的栅漏相接组成反向二极管，该反向二极管阴极(PM8的栅极和漏极) 接至PM6漏极和PM7栅极，其阳极(PM8源极)接地，NMOS管NM1源极接 NMOS管NM2源极以及电阻R1上端即节点C，NMOS管NM1栅极接PMOS 管PM3漏极、NMOS管NM3的漏极以及PMOS管PM5源极，PMOS管PM5 栅极接地，PMOS管PM5横向连接在该电流镜偏置端(即节点B)和输出端之 间(即节点D)之间；PMOS管PM4在节点A的电压控制下跟随电流产生电路 的电流，其漏极接PNP三极管PNP1的发射极，PNP三极管PNP1的基极和集 电极相接组成正向二极管，其发射极为温度传感器的输出端Vout。

当电路启动时，节点A若在高电平，则PMOS管PM1-PM4、PM6均处于 截止状态，节点B以及节点D电压为“0”，此时PMOS管PM7导通对节点D 进行充电，随着节点D电压的升高，PMOS管PM5导通对B点进行充电，NMOS 管NM2、NM1开始工作，接着与NMOS管NM2镜像连接的NMOS管NM3也 开始工作，NMOS管NM1导通迫使节点A电压下降，进而PMOS管PM1-PM4、 PM6均导通，PMOS管PM6导通使得其漏极电压即PMOS管PM7的栅极电压 上升导致PMOS管PM7截止，PMOS管PM7的漏极开路不对节点B电压产生 影响，最终与温度相关的电流产生电路20归于稳定工作状态，温度传感电路30 开始正常工作。

可见，本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器通过防止电路锁定 工作在截止状态的启动电路、利用MOS管亚阈值特性产生一与温度相关的电流 的与温度相关的电流产生电路以及将温度相关电流产生电路所产生的与温度相 关的电流提供给基极-集电极短接的PNP晶体管的温度感应电路，实现了一种基 于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度温度传感器，本发明可用于温度 监控。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明将MOS管工作在亚阈值区，降低了电路功耗(整个电路的功耗 小于100nA)，通常温度传感器电路的功耗在uA级。

2)利用温度补偿技术，提高了温度传感器的线性度。通过仿真对比分析， 在温度变化区间均为-40°～100°情况下，补偿前线性度变化3.2％，补偿后线 性度变化小于0.8％。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。 任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行 修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。