[发明专利]一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路

摘要

本发明公开了一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，脉宽信号主要通过感温电阻和放电电容产生。感温电阻将温度转换成电流，放电电容通过该电流放电将电流转换成延迟时间，实现温度与时间量的转换。通过一个与温度负相关的感温电阻和一个与温度正相关的线性MOS电阻构成两条延迟线，理论分析两个电阻的温度系数，采用二阶温度系数补偿的方案，实现脉冲宽度与温度的高度线性的特性。本发明产生的脉冲信号稳定，电源抑制比高，可用于利用TDC结构检测的温度传感器系统。本发明具有电路面积小和功耗低的优点，因此可应用于全集成低功耗高精度的CMOS温度传感器中。

主权项

一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，其特征在于：与温度负相关的感温电阻R1和放电电容C1构成CTAT延迟电路，感温电阻R1将温度转换成感温电流ICT，放电电容C1根据感温电流ICT放电，比较器COMP1实时检测放电电容C1上的实时电压；与温度正相关的线性MOS电阻M21和放电电容C2构成PTAT延迟电路，线性MOS电阻M21将温度转换成感温电流IPT，放电电容C2根据感温电流IPT放电，比较器COMP2实时检测放电电容C2上的实时电压；由于感温电阻R1和线性MOS电阻M21产生的感温电流不同，因此放电电容C1和放电电容C2的放电电流不同，放电电容C1和放电电容C2的实时电压不同，比较器COMP1和比较器COMP2的高低电平存在时间延迟，通过异或门将这种时间延迟转换成脉冲信号，最终实现温度与时间量的转换；该电路具体包括前置电源电压分压电路、感温电阻R1、线性MOS电阻M21、两个基于OP控制的V‑I转换电路、两个静态电流线性传输电路、两个电容充放电路和脉宽产生电路，将感温电阻R1和线性MOS电阻M21统称为感温源；前置电源电压分压电路同时连接两个基于OP控制的V‑I转换电路，每个基于OP控制的V‑I转换电路连接一个感温源和一个静态电流线性传输电路，每个静态电流线性传输电路连接一个电容充放电路，两个电容充放电路共同接入脉宽产生电路；其中：所述前置电源电压分压电路将电源电压进行等分，等分后产生的电压记作VG；所述基于OP控制的V‑I转换电路由OP运放和PMOS管构成，其中OP运放采用经典的两级PMOS管五管差分运放结构，OP运放中的偏置来源于Cascode偏置结构；VG作为OP运放的输入，通过基于OP控制的V‑I转换电路将VG钳位在感温源的一端，将感温源的温度转换成感温电流；所述静态电流线性传输电路采用Cascode电流镜结构，将感温电流镜像拷贝出去，提供恒定的感温电流给电容充放电路；所述电容充放电路包括放电电容和比较器，放电电容工作初始时需充电至电源电压VDD，工作时断开电源并根据恒定的感温电流放电，比较器实时比较放电电容上的实时电压与κVDD的大小；所述脉宽产生电路采用交叉耦合对负载的比较器结构，接收两个比较器的比较结果，由于感温源产生的感温电流不同，因此两个电容的放电电流不同，导致两个比较器的高低电平存在一个延时，通过异或门将存在的这个时延直接转换成脉冲信号；通过理论分析感温电阻R1和线性MOS电阻M21的温度系数，采用二阶温度系数补偿的方案，实现脉冲信号的脉冲宽度与温度的高度线性；定义传播延迟为电容C根据放电电流I充放电至电源电压VDD的κ倍时所需要的时间t，0≤κ≤1，根据电容充放电的公式可知：t=κCVDDI---(1)]]>对于PTAT延迟电路对于工作在深度线性区的线性MOS电阻M21，IPT通过下式计算：IPT=μCOX(WL)[(VGS-VTH)VDS-VDS22]---(2)]]>其中，IPT表示通过线性MOS电阻M21的电流；μ＝μ0(T/T0)km，μ0表示电子迁移率，T表示当前温度，T0表示300K，km为工艺参数；COX表示线性MOS电阻M21的栅氧化层厚度；W/L表示线性MOS电阻M21的宽长比；VGS表示线性MOS电阻M21的栅源电压；VTH＝VTH0+α(T‑T0)，VTH0表示线性MOS电阻M21在温度300K时的阈值电压，α为工艺参数；VDS表示线性MOS电阻M21的源漏电压；取VDS＜＜(VGS‑VTH)，即可忽略式(2)中的二次项，得到将该式带入式(1)可得：tPT=f(T)=κC2VDDT0kmTPT≈ATkm(B-αT)---(3)]]>式(3)中，tPT为PTAT延迟电路的延迟，A、B均为常数：A=κC2VDDT0kmμ0COX(W/L)VDS---(4)]]>B＝VGS‑VTH0+αT0                            (5)对f(T)求一阶和二阶导数：f′(T)=ATkm+1(B-αT)(-kmB+α(km+1)T)---(6)]]>f′′(T)=Akm(km+1)Tkm+2(B-αT)-2AαkmTkm+1(B-αT)2+2Aα2Tkm(B-αT)3---(7)]]>由泰勒定理，对tPT进行二阶泰勒展开，忽略更高阶项，同时令式(7)为0，可得：B0=αT[(1+1km+1)±(1+1km+1)2-(1+2km)]---(8)]]>VGS0=VT0+αT{[(1+1km+1)±(1+1km+1)2-(1+2km)]-T0T}---(9)]]>上述两式中，B0和VGS0是在式(7)等于0时B与VGS的取值；通过不断改变加在线性MOS电阻M21栅极的偏置电压VREF，得到不同偏置电压VREF的1/IPT与温度的波形图；对于CTAT延迟电路由欧姆定律可知，ICT＝VR/R1，ICT表示通过感温电阻R1的电流，VR是感温电阻R1两端的电压；在TSMC 0.35μm CMOS工艺库中，感温电阻R1通过下式计算：R1(T)＝R0(1+KTC1×dT+KTC2×(dT)2)   (10)式(10)中，KTC1表示一阶温度系数，KTC2表示二阶温度系数，R0是25℃下感温电阻R1的电阻值，dT为当前温度T与25℃的差值，CTAT延迟电路的延迟tCT根据下式计算：tCT=g(T)=κC1VDDICT=κC1VDDR1(T)VR---(11)]]>将式(10)带入式(11)并对g(T)求一阶和二阶导数：g′(T)=κC1VDDR0VR(KTC1-2T0′KTC2)---(12)]]>g′′(T)=2κC1VDDR0T0′VRKTC2---(13)]]> 式(13)中，T0'表示25℃；通过不断改变感温电阻R1，得到不同感温电阻R1的1/ICT与温度的波形图；将不同偏置电压VREF的1/IPT与温度的波形图与不同感温电阻R1的1/ICT与温度的波形图均导入MATLAB进行二阶线性拟合，选取对应的偏置电压VREF和感温电阻R1，使得相同温度T时f″(T)与g″(T)相等，以抵消PTAT延迟电路和CTAT延迟电路的二阶非线性项，实现脉冲信号的脉冲宽度与温度的高度线性。