叶绿：一种温度传感器芯片的分析与仿真 一种温度传感器芯片的分析与仿真 叶绿 （集美轻工业学校，福建集美３６１０２２） 摘要：在人们的日常生活中，存在着各种各样的传感器，如温度传感器、重力传感器、光线传感器等。这些传 感器使得我们的各种电子设备更加的智能化，使得万物互联成为可能，可以说，各种各样的传感器正如我们人类 的各种感官一样，用以感知不同类型的信号，并将它们转换为电子线路能够处理的电信号。 文章中，将以用途广泛的温度传感器芯片为例子，介绍模拟集成电路中常用的几个单元模块的工作原理，介 绍该种温度传感器芯片的内部电路结构并给出了具体电路模块及整体电路的仿真波形。 关键词：ＩＣ温度传感器；三极管测温；电流镜电路；基准电路 ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００７—５５０Ｘ．２０１５．１０．０１ 中图分类号：ＴＮ４０１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—５５０Ｘ（２０１５）１０—００４２—０６ ｌ温度感应的原理 温度感应的关键是将温度的变化转换为电量的 变化，根据研究表明，在三极管的集电极电流保持 Ｑ——单位电荷； Ｋ——波耳兹曼常数； 因此，当Ｉｃ恒定时，在温度不太高的情况下， Ｖｂｅ与温度Ｔ成线性关系。 图１给出了硅ＰＮ结的温度特ｌ生曲线。由曲线①可 不变的情况下，利用三极管发射极一基极ＰＮ结的温 度特性可以实现温度一电压的转换。为了便于对测 温电路的工作原理进行清楚的阐述，首先对晶体管 以看出，当温度低于２００℃时，结电压与温度有良好 的线性关系，可用作温度传感器，实现温度一电压 的ＰＮ结的温度特陛作一说明。晶体管的ＰＮ结结电压 Ｖｂｅ随温度变化而变化，硅三极管的发射结结电压 Ｖｂｅ与绝对温度Ｔ和集电极电流Ｉｃ之间关系如下： ＝ 一 ｌｎ（ Ｃ ……（１） 式（１）中：Ｅ —呻Ｎ结的禁带宽度； ——与基极偏压有关的常数； ——由基区少数载流子的温度特性决定的 常数； 收稿日期：２０１５—０９—０３ 作者简介：叶绿（１９７９一），男，福建漳州人，中级讲师，主要从事中职学校电工电子教学工作。 福建轻纺２０１５年ｌ０月第１０期 （Ｔ—Ｖ）转换。曲线②表示ＰＮ结的结电压对温度的 数。 偏导数，实际上就是ＰＮ结的温度系数，在１５０￣（２以下 范围内，这个温度系数约为－５ｍＶ／￣Ｃ。 ｗ一场效应管栅的宽度， Ｉ——栅的长度， ＶＧＳ——栅极和源极之间的电压。 ２电流源电路 由式（１）可以看出，Ｖｂｅ与温度Ｔ成线 关系的 由电路可以看到，ＭＩ￣Ｍ２的ＶＧｓ是一样的，同 重要前提条件是三极管的集电极电流Ｉｃ保持不变，因 此，为了保证温度测量的精度，必须产生一个稳定 不变的集电极电流Ｉｃ。在ＣＭＯＳ工艺中，通常使用的 是电流源电路。电流源电路在模拟电路中有十分广 泛的应用，它既可以作为偏置单元也可以作为信号 处理单元。在模拟集成电路中，电流源的设计是基 于对“基准”电流的“复制”，一个相对比较复杂 的电路被用来产生一个稳定的基准电流ＩＶ．ＥＦ，这个基 准电流再被复制，从而得到电路中所需要的多个电 流源。使用电流镜技术就可以相对“精确”的复制 基准电流ＩＲＥＦ。 ２．１基本电流镜电路 ＶＤＤ 图２基本电流镜电路 图２所示的就是一个基本电流镜的电路图，根据 场效应管的基础知识，当Ｍ１和Ｍ２ Ｔ作在饱和区时， ＩＲＥＦ和Ｉｏｕｔ分别满足式（２）和式（３）关系： Ｊ ： ｃ （ （ 。一 ）：……（２） ，ｄ ｃ。 （ ）：（ 一 ） …．（３） 式（２），（３）中： ｎ一一ｎ沟道场效应管的载流 子迁移率， ＣｏＸ＿—－单位面积的栅氧化层电容， ＶＴＨ——ｎ沟道场效应管的阈值电压， 这３个参数属于与集成电路工艺密切相关的常 时由于是同一芯片工艺相同，所以ＭＩ：ｆ［ＩＭ２的 、 ＣＯｘ￣ＶＴＨ也相同。因此由式２和式３可以得到： （ Ｗ／ Ｌ）２ ＝ …．（４） 由式（４）可以看到，最终的输出电流Ｉ。 叔与基 准电流Ｉ趾 、Ｍ１和Ｍ２栅的宽长比的比值有关，在现 代集成电路工艺中，该值可以被精确的控制，从而 Ｉｏｕｔ可以实现对ＩＲＥＦ的精确“复制”（带比例常数） 而不受工艺和温度的影响。 ２＿２共源共栅电流镜 在图２基本电流镜的介绍中，我们忽略了沟道长 度调制，在实际的应用中，沟道长度调制效应将使 得镜像的电流产生较大的误差，尤其是在短沟道的 场效应管电路中。在图２基本电流镜中，如果考虑了 沟道长度调制效应，流过Ｍ１、Ｍ２管的电流分别为： ， ： ｃ。 （ ），（ 一 ）ｚ（１＋ ）．．．．．．（５） ，。 ： Ｇ。 （ ）：（ 一 ） （１＋ ）．．．．．．（６） 式（５），（６）中： ——沟道长度调制系数， Ｖｏｓ——为漏极和源极之间的电压。 因此式（４）将变成以下形式： （１＋Ａ＝（ Ｗ ／Ｌ）（／ｚ）２ （Ｖ Ｄｓ２）Ｉ】（（ｌ１十五 瑚）脚’‘＋五）脚…’’’‘．（’ ７） 输出电流Ｉｏｕ滁了与基准电流Ｉｐ，ＪＥｒ、Ｍ１和Ｍ２栅的 宽长比的比值有关还与入、ｖｏｓ相关，在图２电路中 无法保证ＶＤｓ 和Ｖｏｓｚ相同且ＶＤＳ与电源电压、负载相 关，所以镜像后的电流将产生较大的误差。为了抑 制沟道长度调制效应，关键在于使得ｖ 和ｖｏｓ 相 同，为此可以采用共源共栅类型的电流镜电路。 如图３所示即为共源共栅电流镜的电路图，由图 ３中分析可以得到，Ｖａｓ０＋Ｖｘ：ｖＧｓ３＋ｖｖ，选择合适的尺 叶绿：一种温度传感器芯片的分析与仿真 如图４所示，如果２个相同的三极管（Ｉｓ１：Ｉｓ，，Ｉｓ为 三极管的饱和电流）偏置的集电极电流分别为ｎ＊Ｉｏ￣［１ Ｉｏ时，由于 ： ｌｎ（－￣－）则在忽略基极电流的条件下 △ ： 一 ：＝ 』）一 争）： ｌｎ”…．．（８） Ｓ１ 』 图３共源共栅电流镜电路 寸使得而（Ｗ／Ｌ）ｓ＝ （Ｗ万／Ｌ ）２，则ｖＧ 。：ＶＧｓ３，从而ｖｘ：ｖＹ即 Ｖ。ｓ ：ＶＤｓ。。此时式（７）中的 （１＋ ￣ＶＤ ｓ２）项可以约掉， 消除了沟道长度调制的影响，实现了Ｉ。 ｔ对ＩＲＥＦ的精 确“复制”。 ３带隙基准 模拟电路中广泛的存在电压基准和电流基准， 如上文介绍的电流源的产生实际上是使用电流镜电 路对基准电流进行镜像，从而得到电源电压及温度 特性良好的偏置电流。产生基准的目的是要建立一 个与电源、工艺及温度无关的直流电压或者电流， 而大多数的工艺参数是随着温度变化的，因此如果 一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺 无关的。设计与温度无关基准的一种基本思想是： 找到两个温度系数相反的量，然后将它们以一定的 权重进行相加，得到的和就可能是与温度无关的。 ３．１正温度系数电压 如果２个三极管工作在不相等的电流密度下，那 么它们的基极～发射圾电压之差／ＮＶＢＥ与绝对温度成正 比。 图４正温度系数电压电路图 ４４《福建轻纺》 由式（８）可以得到ＡＶＢＥ为正温度系数电压，其 温度系数为 ｋａ ＝ Ｔ 口 ｌＭ‘… ’‘’‘－（ ，９） ３．２带隙基准电压的产生 图５带隙基准电压电路图 由式（８）和式（９）的分析我们得到工作在不同 电流密度下的三极管的ＶＢＥ之间的差值／￣ＶＢＥ是一个正 温度系数的电压，而由式（１）的分析可得三极管的 ＶＢＥ本身是一个负温度系数的电压，所以，在电路的 设计中我们将ＡＶＢＥ与ＶＢＥ以合适的权重进行相加，可 以得到与温度无关的输出电压。如图５所示，图５为与 温度无关的带隙基准电压产生的电路图。Ｍ１－Ｍ５构 成电流镜电路，从前面电流镜电路的分析中可以知 道，选择合适的尺寸可以使得电路中的Ｖｘ￣－－ＶＹ，再由 图５的电路分析可得ｖ＿Ｘ＝ｖＢＥ１而，ＶＹｍＶＢＥ２＋ＩＤ４Ｒ１，又 由于ＩＤｓ是Ｉｏ 的镜像，所以可以得到 ＿，Ｄ ＝ ＝ …‘㈣ 且Ｖｏ ｔ＝ＶＢＥ３ｑ－ＩＤＳＲ２，所以最终 ＝ＶＢｇ ３＋丽Ｒ２△ ＝ ，＋ ｌｎ …・・（１１） 福建轻纺２０１５年１（）月第ｌ０期 由式（１１）可以看到，最终的输出电压Ｖｏｕｔ为负 间内起作用，当偏置电路进入正常工作状态后就从 电路中断开。图７中Ｐ１２０、Ｐ１１９、Ｐ１１８、Ｎ１２１、 Ｐ９３、Ｐ１１０、Ｒ２２、Ｎ１１７、Ｐ１２６、Ｎ１２０、Ｐ１２４、 温度系数的ＶＢＥ３与正温度系数的ＡＶＢＥ之和，我们只 需选择合适的ＩＫ２与１Ｋ１的比值，将会得到与温度无关 的电压基准输出。 ４温度传感器电路分析及仿真 ４．１电路模块原理框图 图６电路原理框图 如图６所示，电路由启动及偏置电路模块、温度 感应电路模块、输出放大器模块构成。启动及偏置 电路主要作用是为整个芯片其他功能模块提供合适 的偏置电压及偏置电流使电路具有合适的静态工作 点。温度感应电路功能是将温度变化线性的转换为 电压的变化。输出放大器的作用是将温度感应电路 输出的代表温度的电压进行缓冲，并提供一定的驱 动能力将信号输出到下一级。以下是对各个模块电 路的具体分析。 ４．２启动及偏置电路模块 图７启动及偏置电路模块电路图 启动及偏置电路具体如图７所示，作为偏置电 路，其作用是为电路的其它模块提供与电源无关（不 受电源电压波动影响）的偏置电压及偏置电流。启 动电路的功能是在电路上电的时候，提供某些晶体 管的从电源到地的电流回路，防止场效应晶体管进 入零电流的截止平衡状态。而在电路启动后，偏置 电压和电流正常后，启动电路应该能够从偏置电路 中断开，也就是启动电路仅在电路上电的一小段时 Ｎ１１９、Ｐ１２３、Ｐ１２１、Ｐ１２２￣启动电路，具体的工 作过程如下：电路启动时，Ｐ１２０、Ｐ１１９、Ｐ１１８拉高 Ｎ１１７栅极电位，Ｎｌ１７导通，Ｐ１２６ｆ￣Ｎ１２０构成的反相 器输出高电平，因此Ｎ１ １９导通，Ｐ１２１、Ｐ１２２灌入电 流。当偏置电流达到正常值，Ｎ１２１导通，把Ｎ１１７栅 极拉低，反相器输出为低，Ｎ１１９截止，Ｐ１２１、 Ｐ１２２、Ｐ１２３￣）．ＰＩ２４的栅极为高电平，所以Ｐ１２２、Ｐ１２３ 及Ｐ１２４截止，从而启动电路与偏置电路断开。 Ｐ７９、Ｐ８０、Ｐ８１、Ｐ１ 、Ｐ１０９ Ｐ１０２、Ｎ１１６ Ｎ１１４、Ｎ１１２、Ｎ７６、Ｎ７４、Ｎ７２、Ｒ８、Ｑ１６、Ｑ２０、 Ｑ２５、Ｑ２６、Ｑ２７四条支路组成以热电压Ｖｔｒ为基准的 偏置电路，偏置电压由Ｎ１１４和Ｎ１１６的漏极输出，偏 置电流大小由Ｑ１６、Ｑ２０的发射极电流密度比和Ｒ８的 阻值决定。为了保证输出偏置电压的精度，应该在 版图设计时在Ｒ８附近做好备用电阻及备用三极管以 供调节。 图８启动电路仿真波形 如图８所示，Ｖｉｎ电压（电源电压）上升，启动信 号ｔｅｓｔ１为高，Ｖｉｎ上升到约为２Ｖ，电路正常工作，ｔｅｓｔ２ 达到预定值１ｖ左右，把ｔｅｓｔ１拉低，启动电路与偏置 电路脱离。 ．８ｏ ６０。４０ 塑一！…２Ｏ ｅＯ １００ １２０１４０ 图９偏置电流的温度扫描仿真波形 作为整个电路的偏置电流应该具有良好的温度 叶绿：一种温度传感器芯片的分析与仿真 （ｕ８蚺芑 蓦ｕ 托 掷 Ｏ Ｊ●１．●１Ｊ ｛＿Ｈｒ 稳定性。图９为偏置电流的温度扫描波形，如图９所 示，当温度从一６０。ｃ￣Ｅｊ１３０。Ｃ变化时（横轴），偏置电 流由１．６ｕＡ变化到约１．１ｕＡ，温度系数小于一０．３ｎＡ／ｏＣ， 偏置电流具有较好的温度稳定性。 ０ １ ２ ３ ４ ５ 图１０偏置电流的电源电压扫描仿真波形 作为整个电路的偏置电流，当电源电压波动时， 应该保持较好的稳定性。图１０是偏置电流的在电源 电压变化的情１况下的扫描波形。如图１０所示，当电 源电压在工作范围内（２．４Ｖ至５．５Ｖ）变化时，偏置电 流的变化很小，基本不受电源电压波动的影响。 ４．３温度感应电路模块 图１ １温度感应模块电路图 如图１１所示，Ｑ１２、Ｑ８、Ｑ４、Ｑ０为温度感应电 路的感温管，由４个感温管采用如图所示的连接方式 同时工作可以提高电路的温度敏感性，其感温的原 理在上文中已经有详细描述。Ｐ８５、Ｐ１ １７、Ｎ０６７ｆ［３ Ｎ０６８产生的电流分别由Ｎ０６９、Ｎ０７５、Ｎ０７０、 Ｎ０７６、Ｐ３８、Ｐ６０、Ｐ５３、Ｐ６５ Ｐ５８、Ｐ６３、Ｐ５６、 Ｐ６１、Ｐ５４、Ｐ４０镜像后，提供给各个感温管作为感温 管的集电极电流Ｉｃ，感温管工作时为了保证产生随温 度线陛变化的电压，要求ＩｃＪ＇￣持稳定，而在偏置电路 模块的分析中，我们已经看到偏置电流具有良好的 温度及电源电压波动稳定性，因此，由偏置电流镜 ４６《福建轻纺》 像产生的感温管的工作电流Ｉｃ也能保持温度及电源电 压稳定性，从而保证了由Ｑ０输出的温度感应电压能 随温度线眭的变化。 ４．４输出运算放大电路模块 图１２输出运算放大电路模块电路图 由温度感应电路产生的感应电压由于温度感应 电路的降噪、驱动能力等不足，无法直接作为输出 电压使用，因此需要通过放大电路的缓冲及提供较 大的驱动能力以供后级电路使用。在模拟电路中， 使用最多的放大器应该是运算放大器，运放具有高 增益、高输入阻抗等优点，大量的具有不同复杂程 度的运放被用来实现不同的功能：从直流偏置的产 生到高速放大或者滤波。电路使用的运放是宽输入 摆幅的高增益二级运放：Ｐ２５、Ｎ３５、Ｎ３２、Ｐ２４、 Ｐ３０、Ｐ３４给放大器提供偏置电流。Ｎ４、Ｎ５、Ｐ３１、 Ｐ３５，Ｐ０、Ｐ１、Ｎ９１、Ｎ９４、Ｎ１０３、Ｎ９８分别组成２个 差分输入对，２个差分对作为输入级可以增加放大器 的输入摆幅，差动对的输入端中，一端输入感温信号 （ＶＴＳ），一端接输出Ｖｏ的反馈。Ｐ１６、Ｎ２７组成共 源放大级，提供高增益。感温信号ＶＴＳ输入到放大 器，输出大小相等的电压Ｖｏ，输出端Ｖ０通过１Ｋ１５反 馈到运放输入端形成负反馈。ＣＯ、Ｃ１、１Ｋ５提供频率 补偿，提高运放的稳定性，防止自激振荡。如图１３ 所示，在电源工作电压５Ｖ的条件下，运放的输出 （Ｖ０）在输入信号从１Ｖ￣ＩＪ４Ｖ的大幅度变化范围内跟 随输入变化（ＶＴＳ），可以起到缓冲的作用。图１４是 运放的负载电流扫描图，当负载电流达到１ｍＡ附近， 输出电压下降到９５％。 福建轻纺２０１５年１０月第ｌ０期 ‰ ￡ 图１３运放输入输出仿真波形 硐 ‘崤 ｒ Ｉ［ｒ［ 上 膨 越・ ｌ Ｉ ￡ ＩＩ’ ．Ｊ ３ 瞄 口 掣 ｝一 啸 ＊ 叫｝ … ｌ ｒ衙 ； 昭 一凸— Ｉ毋 、ｒ ＩＩ，￡Ｉ１ １Ｉ叠 嘛 Ｉ ｌ ｌ 呻 盘甯璐麓德鼍鸯路耩敏 ； 瓣瘦媾艨皂嫱攘凝 鞲黼簸走奄辫模：Ｉ起 图１５整体电路图 营 Ｚ 苦 １．５ 器 １ 罢５口ｏｍ 》０ ３ 一～ ～～ 。’～ 一 一 ～’ ＶｏｌＩａｇｅ×ａ呻 ｏｔｒｓ） 图１６整体电路启动仿真图 图１７输出电压温度扫描图 ４．５整体电路 Ｓ结语 图１５是温度传感器的整体电路图。 温度传感器广泛的应用于工业检测、安防、智 图１ ６为整体电路启动时的仿真波形图，当电源 能家居等生活生产的各个方面，在文章中介绍了 电压Ｖｉｎ上升Ｎ２．４Ｖ左右，输出电压Ｖｏ达到预定值， 一种温度传感器芯片的内部电路结构及工作原理 电路进入正常工作状态。图１ ７为温度变化时，输出 并对电路进行了仿真。该种温度传感器采用０．６ｕｍ 电压的波形图，由图可以看到，输出电压Ｖｏ与温度 的ＣＭＯＳ￣程，最高耐压为６．５Ｖ，温度测量范围 成反比，温度系数为－１１．４７ｍＶ／ｏＣ，输出电压和温 由－５５￣１３０￣Ｃ，芯片的静态工作电流低至１０ｕＡ，具有 度成良好的线性关系，由此可见该电路能够很好的 低功耗、测温精度高等特点。未来的温度传感器将 完成温度检测的功能。 朝着更加智能化、小型化及低功耗方向发展。 参考文献： ［１】徐剑芸，鲁浩．一种惯性测量组件实时测温电路的研究及设计卟中国惯性技术学报，２００２，（１０），６ ［２］毕查德．拉扎维．模拟ＣＭＯＳ集成电路设计［Ｍ】．陕西：西安交通大学出版社。 ［３】秦世才，高清云．模拟集成电子学 ｖＩ］．北京：科学出版社．
