韦 钰 ，罗 磊 ，唐俊龙 ，邹望辉

（1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410114；2.广州金升阳科技有限公司，广东 广州 510663）

CMOS集成数字温度传感器具备造价低且体积微小、能直接输出数字信号的优势，广泛应用于工业、医疗、交通和消费类电子等方面[1-4]。常见的CMOS集成温度传感器有几种感温机制，包括基于电压域的[5]、基于频率的[6]、基于相位的[7]、基于时域量化的[8]等。文献[5]提出的温度传感器选择用衬底PNP双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）作感温器件，应用了几种技术来处理电路中的非理想性，最终使电路精度达到±0.35℃。文献[6]是关于一款CMOS超低功耗温度传感器芯片的文章，包含一个温度-电流转换器和一个频率-数字转换器。这种基于频率的温度传感器面积非常小，仅为0.0014 mm2。文献[7]提出的是一种基于电阻的CMOS温度传感器，电阻用于构建RC多相滤波器，读取与温度相关的相移并将其转换为数字代码，这种温度传感器比较容易进行工艺移植。文献[8]提出的一种不带电压/电流模数转换器或带隙基准的基于时间-数字转换器的CMOS智能温度传感器，无需任何曲率校正或动态偏移消除即可实现高线性度和精度。在文献[9]中，温度传感器利用了MOSFET阈值电压随温度变化的特性作为感温原理，使用MOSFET作为感温器件能有效地实现非常低的功耗。

在所有类型中，传统的基于双极结型晶体管的温度传感器仍然是最常见的，因为易于设计并具有良好的精度[10-13]。常规CMOS工艺中的双极型晶体管一般分为横向双极型晶体管（Lateral BJT）和纵向双极型晶体管（Vertical BJT），其中纵向双极型晶体管也被称为衬底双极型晶体管，因为其集电极和衬底短接[14]。纵向双极型晶体管的发射极电压和集电极电压与横向双极型晶体管比较而言，有更好的指数关系，因此CMOS温度传感器多采用纵向双极型晶体管[15-16]。

该文首先讨论双极性晶体管的温度特性，然后给出温度传感器的总体结构和基本电路设计，并对基本电路的误差进行详细的仿真分析，然后给出校准电路[17-18]，再通过仿真分析验证校准电路的成果，最后得出结论。

1 双极型晶体管的温度特性

该文所设计CMOS温度传感器利用了纵向双极型晶体管基极-发射极电压VBE的温度特性，依照双极型晶体管的经典理论，基极-发射极电压VBE和集电极电流IC的关系表示为：

其中，q代表电子电荷量，k为Boltzmann常数，IS是饱和电流，T是绝对温度。假设IC保持不变，VBE对T求导可得：

其中VT=kT/q。根据文献[19]，IS与温度T可以推导出如下关系：

其中，b是一个比例系数，m≈-3/2，Eg≈1.12 eV为硅带隙能量。结合式（2）和式（3）可得：

当VBE≈ 750 mV，T=300 K时，可算得 ∂VBE/∂T≈-1.5 mV/K，显然VBE具有负温度系数。同时式（4）也反映出VBE的实际温度特性比较复杂，包含高阶温度特性。进一步分析可以表明，VBE在-40～120℃范围内总体比较线性，同时存在一定程度的非线性[10]。

ΔVBE表示两个BJT的VBE差值。假设两个BJT都使用一样的BJT单元（BJT Cell）并联构成，且BJT单元的个数比为1∶n，那么两个BJT的饱和电流比值相应为IS1∶IS2=1∶n。同时，假设两个BJT的集电极电流比值为IC1∶IC2=m∶1，可以得到：

由式（5）很容易看出ΔVBE是一个具有正温度系数的物理量，并且具有较好的线性度。ΔVBE的温度系数为：

2 总体结构与基本电路设计

图1展示了该文所设计CMOS数字温度传感器系统总体结构图，包含正温度系数电流产生电路、负温度系数电流产生电路、一阶连续时间Σ-Δ调制器、计数器和I2C总线接口等6个主要模块。

图1 系统结构图

电阻R1用来得到正温度系数电流Ipos，电阻R2用来产生负温度系数电流Ineg。Ipos和Ineg同时输入到一阶连续时间Σ-Δ调制器，经过电流切换、电流积分和电压比较，输出1位数据流。数据流中“1”和“0”的比例与Ipos和Ineg的大小比例关联，也就是与温度关联。当调制器输出为“0”时，Ipos被积分；当为“1”时，Ineg被积分，因为流入积分器的电流平均为0可得：

其中，r=R2/R1，u表示输出数据流中“1”所占的比例。由式（7）可得：

当r取合适的值时，分母VREF即为带隙基准电压，是和温度无关的一个值，分子与温度成正比，u与温度成正比。

Σ-Δ调制器输出的1位数据流经过计数器产生最终的温度数据，通过I2C接口读出。计数器有两个重要参数：初始值和计数周期。初始值为计数开始时的起始值。计数开始后，调制器输出为“1”时计数器加1，输出为“0”时计数器保持原数。当达到设定的计数周期后，计数结束并输出最终计数值，即为温度数据，然后开始新一轮计数。初始值和计数周期可以按如下方式设定，根据式（5）可以设：

这里TC表示摄氏度温度，a为温度系数，把式（7）代入式（8）并整理得：

式（10）中，由-273确定计数器初始值，由VREF/ra确定计数周期。结合应用需求，该文中的计数器设定为13位，包含最高位符号位、9位整数和3位小数，分辨率为0.125℃。取最高位符号位、7位整数和3位小数组合形成11位温度数据，由I2C接口进行读取。

Ineg和Ipos产生电路可参考文献[16]。图2为一阶连续时间Σ-Δ调制器，放大器OP1和电容C0组成积分器，OP2为电压比较器，D触发器输出形成1位数据流Dout，然后Dout控制电流开关SW1与电流开关SW2的导通与闭合。该文的设计运用了0.35 μm CMOS工艺，使用5 V器件。

图2 一阶连续时间Σ-Δ调制器

3 基本电路的误差分析

电路中存在多种非理想因素影响输出精度，比如电流源或晶体管的失配、运放的失调电压、器件参数漂移、VBE温度特性的非线性等。有的非理想因素可以通过电路设计技术来消除其影响，比如斩波技术[16]（Chopping）常用于消除器件失配、失调电压以及闪烁噪声的影响。但器件参数漂移、VBE温度特性的非线性等难以通过电路设计技术消除其影响，该文主要研究器件参数漂移对精度的影响。

CMOS工艺中的诸多参数，比如掺杂浓度、掺杂分布、氧化层厚度等都会在一定范围内波动。器件参数在不一样的批次之间、同批次不一样的晶圆中间，甚至同一晶圆不同芯片之间都存在较大的差异。工艺厂都会提供器件的工艺角（Process Corner）参数，反映器件参数漂移的范围。通常在前期设计电路的阶段都要验证电路在各种工艺角下是否能够正常工作。该文所设计电路使用到了NMOS/PMOS晶体管、双极型晶体管和多晶硅电阻，可以通过扫描工艺角和工艺角组合来分析温度传感器的精度。

因为BJT作为核心感温器件，所以与温度有关的VBE和ΔVBE这两个值是与温度传感器精度相关的关键参数。由式（2）可以看出，只要BJT的面积比例以及偏置电流比例能够准确保证，那么ΔVBE基本不受工艺漂移的影响，而在实际电路设计中，这两点还是相对比较容易保证的，但VBE依旧随工艺的漂移比较大。多晶硅电阻，虽然阻值漂移也比较大，但电路和版图设计上可以保证电阻的比值比较准确，根据式（3），电阻的工艺漂移似乎对精度无影响。然而，电阻值漂移对精度的影响主要体现在VBE。从图3（a）可以看到BJT的偏置电流Ibias由电阻产生，因此电阻值的漂移直接导致Ibias的漂移，进而导致VBE的变化。图3（a）显示了不同工艺角和工艺角组合下的最终输出温度数据的误差。能够看到，Typical工艺角下的误差非常小，而BJT的工艺漂移造成的最大误差为2℃/-2.5℃，电阻的工艺漂移造成的最大误差为5.4℃/-2.5℃，在BJT和电阻的共同影响下，即最差的情况下，误差可以达到7.5℃/-5℃。

图3（b）显示了NMOS/PMOS晶体管参数漂移的影响，图3（c）是工作电压降到2.7 V的情况。可以看出，MOS晶体管的参数漂移以及工作电压的变化对精度的影响非常有限。在设计正确的前提下，VBE和ΔVBE基本不受影响，精度也就变化不大。

4 校准电路设计及分析

根据文献[16]，在没有校准的情况下精度为±3℃。但分析结果显示，工艺偏差所导致的最大误差达到7.5℃/-5℃，表明精度与所使用工艺的稳定性直接相关。因此，精度要达到±0.5℃必须使用校准。根据前面的分析，误差的主要来源于VBE，所以在基本电路的基础上要增加针对VBE的校准电路。

图3 温度数据读出误差

图4所示的校准电路实际上就是一个VBE产生电路，使用多路选择器选择VBE1和VBE2之间的一个值。校准的原理比较简单，就是选定一个VBE值使得最终输出的温度数据误差最小。校准电路设计的关键有两点：第一，VBE1和VBE2要足够宽，覆盖到工艺漂移的最极端情况，也就是要确定好I1和I2的比例，以及Q1和Q2的面积比例；第二，校正码C3C2C1C0的位数，对应VBE的调整间隔，调整间隔要足够小以确保精度可校准到±0.5℃以内。

根据仿真结果可以确定：I1/I2取2，Q1/Q2取4，校正码取4位。校正码的典型值为0110，实际上图5所示都是在典型校正码下的仿真结果。图5（a）和图5（b）给出了两个极端工艺角组合情况下，逐步改变校准码，温度数据误差的变化情况。从图中可以看到，在BJT=fast，Res=slow组合下，校正码调整到1110时得到最佳精度；在BJT=slow，Res=fast组合下，校正码调整到0000时得到最佳精度。两种组合下最后精度都调整到了±0.5℃之内。从图5中也可以看到，误差曲线显示有一定的非线性，这来源于VBE温度特性的非线性，可以看到其影响并不是很大。

图4 VBE校准电路

图5 不同校正码对应的读出温度数据误差

5 结束语

该文讨论了高精度CMOS数字温度传感器的设计。基于0.35 μm CMOS工艺通过工艺角仿真可以看到，在没有校准情况下，CMOS温度传感器在-40～120℃温度范围内的最大误差可以达到7.5℃/-5℃，表明必须进行校准，以达到±0.5℃的设计精度。根据对误差来源的分析，该文给出了VBE校准电路，以及相应的设计和校准方法。仿真结果表明，引入校准之后，温度传感器的精度达到设计要求。