[发明专利]数字CMOS片上温度传感器

摘要

数字CMOS片上温度传感器属于集成电路片上温度监控领域。利用晶体管阈值电压同温度的线性关系，本发明分别设计了基于弛张振荡器和基于斯密特触发器两种方案的温度传感器电路。这两种温度传感器精度均在1℃以内，而晶体管数目则大大减少，同时由于采用全CMOS结构，因而与当前的主流的集成电路制造工艺兼容。

主权项

1、基于斯密特触发器的数字CMOS片上温度传感器，其特征在于，所述温度传感器含有：输入电路，包含：第1PMOS管，记为(P1)管，该管的源极接电源电压Vdd；第1NMOS管，记为(N1)管，该管的源极接地，该管的栅极和所述(P1)管的栅极相连后构成输入信号Vin的输入端，所述输入端与地之间接有充电电容(C)；第2PMOS管，记为(P2)管，该管的源极接电源电压Vdd；第2NMOS管，记为(N2)管，该管的源极接地，所述(N2)管的漏极同时和所述(N1)管的漏极，(P1)管及(P2)管的漏极相连；当所述输入信号从低变高时，触发器的转换电平为：$V_{M+}=\frac{V_{\mathrm{TN}}+\sqrt{\frac{k_{p1}+k_{p2}}{k_{n1}}}·(V_{\mathrm{dd}}+V_{\mathrm{TP}})}{1+\sqrt{\frac{k_{p1}+k_{p2}}{k_{n1}}}}$ 其中，VTN，VTP分别为所述各NMOS管，PMOS管的阈值电压，kp1，kp2分别为(P1)管和(P2)管的放大系数，kn1为(N1)管的放大系数；当所述输入信号从高变低时，触发器的转换电平为：$V_{M-}=\frac{V_{\mathrm{TN}}+\sqrt{\frac{k_{p1}}{k_{n1}+k_{n2}}}·(V_{\mathrm{dd}}+V_{\mathrm{TP}})}{1+\sqrt{\frac{k_{p1}}{k_{n1}+k_{n2}}}}$ 其中，VTN，VTP分别为所述各NMOS管，PMOS管的阈值电压，kp1分别为(P1)管和(P2)管的放大系数，kn1，kn2为(N1)管的放大系数；成比例的反相器链，含有：第1级反相器，含有：第3PMOS管，记为(P3)管，该管的源极接电源电压Vdd；第3NMOS管，记为(N3)管，该管的源极接地，漏极和所述(P3)管的漏极相连，栅极和所述(P3)管的栅极相连后接所述输入电路的(P2)管的漏极；第2级反相器，含有：第4PMOS管，记为(P4)管，该管的源极接电源电压Vdd；第4NMOS管，记为(N4)管，该管的源极接地，漏极和所述(P4)管的漏极相连，栅极和所述(P4)管的栅极相连后接所述(N3)管，(P3)管的漏极；第3级反相器，含有：第5PMOS管，记为(P5)管，该管的源极接电源电压Vdd；第5NMOS管，记为(N5)管，该管的源极接地，漏极和所述(P5)管的漏极相连，栅极和所述(P5)管的栅极相连后接所述(N4)管，(P4)管的漏极；(N5)管的漏极，也即温度传感器的输出端fosc，又接至(P2)管和(N2)管的栅极；自偏置的阈值电压参考电路，含有：第8PMOS管，记为(P8)管，该管的源极接电源电压Vdd；一个NMOS管，记为(T3)管，该管的源极接地，漏极和(P8)管的漏极相连；第9PMOS管，记为(P9)管，该管的源极接电源电压Vdd；一个NMOS管，记为(T6)管，该管的栅极和所述(T3)管的漏极相连，源极串联一个电阻RS后接地，漏极接(P9)管的漏极；第0PMOS管，记为(P0)管，该管的源极接电源电压Vdd，栅极接控制端EN，漏极同时接(P8)管和(P9)管的栅极，还接(P9)管的漏极；第6PMOS管，记为(P6)管，该管的源极接电源电压Vdd，栅极接(P9)管和(P8)管的栅极；第7PMOS管，记为(P7)管，该管的源极接(P6)管的漏极，该管的漏极接输入电路的Vin端，栅极接fosc；一个晶体管，记为(T4)管，源极接地，栅极接(T3)的栅极和(T6)的源极；一个晶体管，记为(T5)管，源极接(T4)管的漏极，而栅极接fosc，漏极和(P7)漏极相连；所述温度传感器的输出端fosc处的信号的时间周期用Tosc表示，Tosc与温度成近似线性关系：$T_{\mathrm{osc}}=\frac{2C(V_{M+}-V_{M-})R_s}{V_{\mathrm{TN}}}$ 其中(C)为充电电容。