孔德钰，刘 洋

(电子科技大学电子科学与工程学院，四川成都 610054)

0 引言

在过去50年中，半导体产业一直遵循着摩尔定律[1]，更小尺寸的半导体技术节点具有更高的性能、更高的门密度以及更高的能量效率。然而，随着工艺尺寸的减小，芯片内部的功率密度也在不断增加，使芯片的工作温度急剧升高，直接影响了电路的性能[2]。因而，在芯片中加入片上温度传感器来监控芯片的热分布[3]，以保证芯片中的各种电路的工作性能和可靠性变得尤为重要。

对于片上温度传感器而言，最重要的需求是面积小、功耗低和温度精度高[4]。在时域温度传感器中，温度以输出信号的频率、占空比或脉冲延时来表示。时域温度传感器电路具有面积小、功耗低和转换率高的特性，适用于片上热管理应用[5]，经常被用于片上温度监测。

本文提出的温度-频率转换器的温度检测范围在-40～+85 ℃之间，覆盖了常规芯片的工作温度范围，温度检测误差在±1 ℃范围以内。本文采用准数字全MOS的温度传感器架构[6]，设计了一个输出电流与绝对温度成比例(proportional to absolute temperature，PTAT)的电流发生器。使用该PTAT电流发生器将环境温度转换为温度等效电流，然后，将PTAT电路产生的温度等效电流镜像到源耦合振荡器中，利用源耦合谐振荡的温度稳定性[7-8]，获得绝对温度的等效频率并输出。测试结果表明，所提出的温度传感器能够以频率方式检测环境温度，温度误差小于1 ℃。

1 温度传感电路设计

本文提出的温度传感器的原理框图如图1所示。通过PTAT电流发生器，将环境温度转换为PTAT电流，然后将该电流用作源耦合振荡器的偏置电流，最后以频率的形式输出环境温度。

图1 温度-频率转换器的框图

1.1 PTAT电流发生器设计

图2为PTAT电流发生器的电路图。在PTAT电路中，由于正反馈的存在，导致电路有2个稳定工作状态，即休眠状态和正常工作状态。因此，需要加入启动电路将其收敛于期望的正常工作状态。在图2中，N型场效应晶体管MS1，MS2和电容器CS构成了PTAT电流发生器的启动电路。在休眠状态，启动电路消耗少量纳安级的电流，并将电路切换到正常工作状态，然后不再消耗电流，其消耗的功耗可以忽略不计。

图2 PTAT电流发生器的电路图

在图2中，M1工作于深三极管区域，起到有源电阻器的作用，其漏极电流可表示为

Ip=KnS1Vds1(Vgs1-Vth)

(1)

式中：Ip为PTAT电流；Kn为NMOS的跨导参数；S1、Vgs1、Vds1和Vth分别为M1的宽长比、栅-源电压、漏-源电压和阈值电压。

从式(1)可知，为了求解Ip，需要分别求解Vds1和Vgs1。Vds1可由(2)式得到：

(2)

式中：η为亚阈值斜率；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；q为单位电荷量；S6和S7分别为M6和M7的宽长比。

在图2中可以看出，流过PTAT电流发生器的每个分支的电流是相等的。根据基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’s voltage law，KVL)

Vgs1=Vgs2+Vds5

(3)

式中Vgs2和Vds5分别为M2的栅-源电压和M5的漏-源电压。

由于M2工作于饱和区，则

(4)

式中S2为M2的宽长比。

根据KVL定律，Vds5=Vgs5-Vds3-Vds4，其中Vgs3是M3的栅-源电压，Vds3和Vds4分别是M3和M4的漏-源电压。M3和M4分别工作于饱和区和线性区。Vds5可以写成：

(5)

其中Sa为

(6)

式(6)中，Sb为

(7)

式(7)中，Sc为

(8)

将式(4)和式(5)代入式(3)可得：

(9)

从式(9)可以看出，Vgs1的温度特性由与温度相关的3部分决定。第一部分Vth与绝对温度成反比；由于NMOS的迁移率μn与温度无关，第二、三部分可以看作是PTAT电流Ip的函数。通过选择合适的晶体管的宽长比，第一部分的阈值电压与温度成反比的特性可以用第二、三部分的PTAT特性来抵消，使Vgs1与温度无关。

图3为使用cadence spectre仿真器，对Vgs1在-40～+85 ℃的温度范围内的仿真结果。从图中可以看出，在-40～+85 ℃温度范围内Vgs1几乎恒定，即Vgs1的大小与温度的变化无关，与式(9)得出的结论一致。

图3 M1的栅-源电压随温度变化的仿真结果

将式(2)代入到式(1)还可以得到：

(10)

在式(10)中，(ηKS1μn/q)ln(S7/S6)是常数，并且，由于参数m的数值非常小，由温度变化引起的(T/T0)(1-m)的变化可忽略不计[9]。因此，电流Ip与(Vgs1-Vth)成正比。又由于式(9)得出的结论，Vgs1的变化几乎与温度无关，并且Vth随温度升高而降低。因此，(Vgs1-Vth)将随着温度增加而增大，因此，Ip将表现出PTAT特性，如图4所示。

图4 M1的过驱动电压随温度变化的仿真结果

1.2 流控振荡器设计

相对于传统的基于施密特触发器的张弛振荡器，源极耦合振荡器能够提供对称的波形以及更高的振荡频率[10]，因此，被广泛用于压控振荡器、流控振荡器和I/Q交叉耦合振荡器中。源极耦合振荡器的简化原理图如图5所示。

图5 源极耦合振荡器的简化原理图

图5中交叉耦合的M1和M2为增益级，它们驱动阻值为R的电阻负载。M1和M2不断地交替开关，决定了浮动电容器Co的充放电方向。当M1处于导通状态时，M2处于截止状态，Co从左向右充电，此时Vout+=Vdd-=2Ip，Vout-=Vdd。Co两端的波形为三角波，一旦Co左端的电压下降到触发电压时，M1和M2的工作状态即发生切换，Co从右向左充电。在输出端得到的波形取决于电容器Co的大小，振荡器的振荡频率为

(11)

式中Vpp为电容Co两端的峰峰值电压。

由式(11)可以看出，当Co的电容为固定值时，振荡频率f与源极耦合振荡器的偏置电流Ip成正比。因此，当使用PTAT电流Ip作为源极耦合振荡器偏置电流时，所得到的振荡频率也具有PTAT特性。

本文使用的源极耦合振荡器电路图如图6所示。本文提出的源极耦合振荡器，在图5的基础上，使用Mp1和Mp2作为振荡器的输出缓冲级，以获得方波输出波形。

图6 本文提出的源极耦合振荡器电路图

2 温度传感器的测试结果

本文所提出的片上温度传感器使用22 nm SOI CMOS工艺设计并流片。传感器的显微照片如图7所示，有效面积为0.01 mm2。工作于+85 ℃时，温度传感器的功耗达到最大值为500 nW。该温度传感器的电源电压为0.8 V，与标准22 nm SOI CMOS工艺的电源电压相同，因此，在大多数实际应用中，不需要使用额外的电源电压供电，节省了芯片面积和功耗。

图7 片上温度传感器的显微照片

对同一批次的8颗传感器芯片进行了测试，所有测量均在-40～+85 ℃的温度范围内进行。测量结果如图8所示，由图8中可以看出，传感器输出的热等效频率随温度线性变化。因此，采用了单点校准方法来进行校准，以工作温度范围的中间值22.5 ℃作为参考温度，该温度同时也是室温，然后，使用MATLAB计算了温度误差。

图8 温度-频率转换电路的测量结果

图9为8个样品的温度误差测试结果，温度传感器的输出温度误差在1 ℃以内。

图9 测得的8个片上传感器的温度误差

3 结束语

本文设计了一种最大功耗为500 nW，面积为0.01 mm2的低功耗小尺寸温度传感器，它可以将芯片内部温度转换为等效频率。测试结果表明，该温度传感器能够检测-40～+85 ℃范围内的温度，在使用单点校准后，该温度传感器的温度测量误差小于1 ℃。其电源电压为0.8 V，与22 nm CMOS工艺节点的标准电源电压一致，这使得大多数情况下，该传感器不需要额外的电源电压。随着半导体工艺尺寸的减小，芯片内功耗密度急剧增加，局部温度过高会导致内部电路性能下降甚至失效等问题，该温度传感器尤其适用于片上温度检测及热管理应用。