[发明专利]温度监测电路

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，具体涉及对半导体集成电路的温度进行监测的电路。

背景技术

当集成电路的温度高出安全工作温度时，电路将不能正常工作，甚至会由于过流造成对集成电路中器件的损伤，因而需要温度监测电路对电路的温度进行监测。根据需要，可设定一个高温阈值温度T1，当电路温度达到T1时，监测电路给出一个温度过高的指示信号。根据应用场合，该指示信号可用于报警电路的触发信号，或用于时钟信号的降频、功率器件的关断控制信号等。

目前，本领域技术人员周知的一种温度监测电路如图1所示，该电路由以下几个部分构成：与温度成正比(PTAT)电流源电路，温度传感器，以及电压比较器。与温度成正比电流源电路产生随温度升高而增大的电流，该电流流过温度传感器电路的电阻R2，使A点电压随温度升高而升高。由于正偏导通的PN结电压具有负的温度系数，温度传感器电路的双极晶体管Q3的发射结电压Vbe，随温度升高而下降，因而B点电压随温度下降。这样，A点与B点的电压差随温度上升而增大，最终使电压比较器的输出翻转。

电路与目标工艺的兼容性和电路所占用的芯片(die)面积是集成电路设计中必须考虑的两个因素。数字CMOS工艺一般不提供电阻元件，即使提供了电阻元件，也会要求增加工序和掩膜版(mask)。此外，电阻元件还会占用很大的芯片面积。因此，图1电路的主要缺点是：使用了电阻元件，与数字CMOS半导体工艺不兼容，增加了生产成本；需要的器件数量多，占用的芯片面积大；不具有温度滞回特性，即促使温度监测电路的输出，发生指示电路温度过高翻转的温度，与促使输出发生指示电路温度恢复到正常范围的翻转的温度相同，当电路温度从低温升至阈值温度T1时，监测电路输出发生翻转，此后，如果温度控制电路使电路温度回落到T1时，而不是回落到比T1小的T2处，电路输出信号再次翻转，指示温度控制电路停止工作，此后，电路温度又很快上升，在T1温度处监测电路的输出又发生翻转，如此反复，造成温度控制电路频繁启动，而集成电路本身也不能得到充分降温。

发明内容

为与数字CMOS半导体工艺兼容，减小温度监测电路占用的芯片面积，降低生产成本，本发明的目的在于，提供一种只采用MOS晶体管和与CMOS工艺兼容的衬底PNP双极晶体管(substrate PNP bipolar transistor)的，并具有温度滞回特性的温度监测电路。

本发明采用的技术方案是：一种温度监测电路，由电源电压分压电路、多输出电流源电路、温度传感器电路以及电压放大电路构成。整个电路不使用电阻元件，电源电压分压电路采用有源电阻，即将栅极与漏极短接的MOS晶体管，在电源线到地线间串联的结构；多输出电流源电路采用将PMOS晶体管的栅极和源极接固定参考电压的单管结构，或威尔逊电流源(Wilsoncurrent source)、共源共栅电流源(cascode current source)等不需要电阻的电流源结构；温度传感电路仅使用两个发射结串联、发射极分别与多输出电流源输出端连接的衬底PNP晶体管；电压放大电路的负载使用MOS晶体管构成的有源负载。电压放大电路采用多级放大电路级连的结构，通过在电压放大电路的多级放大结构中形成正反馈回路，以控制电压放大电路的增益，使电路具有温度滞回的动态特性。同时，在电压放大电路中引入正反馈，也使得对电压放大电路的增益要求降低，并使电路的输出信号的跳变沿陡峭。

通过电压放大电路对两个串联的正偏导通的PN结电压变化进行放大，达到对温度进行监测的目的。

电源电压分压电路为多输出电流源电路提供基准电压。电源电压分压电路在实现上采用有源电阻在电源线到地线间串联的结构。对于不同的电源电压和输出电压要求，只需调整串接的有源电阻的个数或器件尺寸(沟道长度L和沟道宽度W)。例如，图3所示的实施实例电路采用了由两个有源电阻(Mp1和Mn2)构成的，具有一个输出端A的电源电压分压电路。

多输出电流源电路为温度传感器电路和电压放大电路提供恒定电流。多输出电流源可采用多个源极接电源，栅极接固定基准电压，漏极做为电流输出端的PMOS晶体管实现，也可根据需要，采用共源共栅电流源、威尔逊电流源等结构复杂而交流输出电阻大的电流源结构。例如，图3所示的实施实例采用了由3个栅极和源极接固定电压的单管(Mp2、Mp3和Mp4)构成的多输出电流源结构。