阳佳丽，赵 新，高 博，张 析，龚 敏

（四川大学物理学院，成都 610065）

1 引言

温度与人们的生产生活息息相关，因此用于温度检测的温度传感器得到了广泛的应用，如对芯片温度进行监测［1］、环境温度进行监测等。温度传感器主要分为分立式和集成式两类，其中集成温度传感器具有体积小、成本低等优势，广泛应用于各种片上系统、工业物联网中。

集成温度传感器通常使用双极型晶体管（BJT）［2］、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）［3］、电阻［4］作为感温元件。MOSFET 易受非线性和工艺偏差的影响，电阻具有较大非线性，以二者做感温元件的温度传感器通常需要多点校准来提高输出电压的精度［5］。BJT 有较好的温度特性，以其做感温元件的温度传感器大多只需要单点校准就可提高输出电压的精度。因此，业界通常使用BJT 作为温度传感器的感温元件。

文献［6-8］均采用BJT 作为感温元件，以不同的方式获得温度传感电压。文献［6］通过运算放大器将BJT基极与发射极电压的差值ΔVBE放大，获得温度传感电压，但温度系数较小。文献［7］采用电流增益补偿技术、动态元件匹配（DEM）技术和斩波稳定技术来减小误差，并通过带有R-2R 数模转换器（DAC）的非反相放大器的增益级获得合适的输出电压，增益级电路结构较为复杂。文献［8］在0～40 ℃范围内，利用与绝对温度成正比的电流（IPTAT）和与绝对温度成反比的电流（ICTAT）之差来产生一个高斜率的温度传感电压，电路结构简单且功耗较低。

为了在－55～125 ℃范围内实现一个输出电压精度较高、温度系数较大且电路结构简单的温度传感器，本文采用BJT 作为感温元件，通过温度系数互补的IPTAT和ICTAT电流相减的方式来获得一个高斜率的电压，并通过电流增益补偿技术和斩波稳定技术来提高温度传感电压的精度。

2 基本原理

2.1 高斜率Isub 产生原理

高斜率Isub产生原理如图1 所示，将两个与温度特性互补的电流即IPTAT和ICTAT相减，即可产生一个斜率较大的输出电流Isub。为获得合适的输出电流，需要合理调节IPTAT和ICTAT的大小。电流的大小需根据电路工作温度范围以及设定的器件工作条件而定。为获得较好的输出结果，当温度传感器工作在最低温度时，合理调节IPTAT和ICTAT的大小，使二者相差较小，并通过改变电流的放大倍数以获得较大的电流斜率，放大倍数的上限需根据器件的工作条件来确定。

2.2 电流增益补偿技术

BJT 的有限电流增益β 会随着工艺变化而发生相应变化，β 的变化和对温度的依赖性会影响VBE的精度，从而导致温度传感电压的误差。

为减小有限电流增益带来的误差，文献［9］采用电流增益等效增强技术进行改善，文献［10］采用电流增益补偿技术进行优化。在纳米级工艺中，有限电流增益显著降低，电流增益等效增强技术补偿效果不明显。考虑工艺的普适性，本研究选择电流增益补偿技术进行改善。具体实现方式如图2 所示，在Q2的基极串联一个补偿电阻Rb，其中Rb=1/p×R1，p 为电流偏置的比例。考虑有限电流增益β 后，则

其中，q 为电子电荷量，k 为玻尔兹曼常数，T 是绝对温度，IS为三极管饱和电流，Ibias为三极管的集电极电流。流过Q2的集电极电流为

图1 高斜率Isub 产生原理

将式（2）代入式（1）可得

式（3）中得到近似于与β 无关的VBE，因此通过电流增益补偿技术可以补偿有限电流增益带来的误差。

图2 电流增益补偿技术

3 电路实现

温度传感器电路具体结构如图3 所示，其由3 部分组成，分别为IPTAT产生电路、ICTAT产生电路以及高斜率Isub产生电路，其中启动电路和偏置电路未示出。

图3 温度传感器电路结构

IPTAT产生电路由运算放大器A1、电阻R1、补偿电阻Rb、双极晶体管Q1、Q2及电流镜MP1、MP2组成。运算放大器A1起钳位作用，使运放两输入端A、B点电位相同，可以得到

则产生的IPTAT为

其中，ΔVBE=k×T/q×ln n，n 为双极晶体管Q1、Q2的个数之比。由式（5）可知，可通过调节电阻R1来改变IPTAT的大小。

产生的IPTAT通过电流镜MP3、MP31镜像到MP3支路，流入Q3的集电极。运算放大器A2钳位使C、D 两点电位相同，并通过MOS 管MN1和电阻R2将VBE3转换成ICTAT。由于补偿电阻Rb补偿了有限电流增益β 的影响，则产生的ICTAT大小为

可以通过调节R2改变ICTAT的大小。

产生的IPTAT和ICTAT由电流镜按照一定比例复制到MP4支路，MP4支路中的PMOS 管流经IPTAT，NMOS管流过ICTAT，IPTAT和ICTAT的差值流入MN4支路，得到（IPTAT－ICTAT）电流。为获得较高斜率的Isub，将（IPTAT－ICTAT）通过两组电流镜按照一定的比例“复制”到输出支路MP8，得到输出电流IOUT，并通过电阻R3将IOUT转换为电压，得到输出电压VOUT，即温度传感电压。

其中y、h、m 是电流镜组的复制比例，为常数值。通过调节y、h、m 值改变电流的斜率，以获得合适的IOUT，再通过改变R3的值获得合理的VOUT。

根据设计需求调节R1和R2的值，使工作在最低温度时（IPTAT－ICTAT）的值较小，再调节电流镜的比例以获得一个高斜率的IOUT，最后由R3的值确定合理的VOUT。总之，根据不同的工作要求，调节R1、R2和R3的值及电流镜组的比例，可获得合理的IOUT和VOUT。本设计中电阻采用相同结构，其中电阻R1、R2、R3的值分别为120 kΩ、134 kΩ、53 kΩ。

电路中的电流镜采用栅结构，可提高电路的电源抑制比（PSRR）和电路的线性度，同时通过合理设置电流镜的尺寸，减小电流镜管之间的不匹配。运算放大器A1和A2的失调电压Vos会直接叠加在ΔVBE和VBE上，影响电路的输出精度，因此采取斩波稳定技术来消除运放的失调电压Vos和低频1/f 噪声，从而进一步提升ICTAT和IPTAT的精度［11］。运放A1和A2采用相同的电路结构，运算放大器电路如图4 所示。

图4 运算放大器电路

4 仿真结果

本文设计的温度传感器电路采用0.18 μm HVCMOS 工艺，工作电压为3.3 V，温度范围为－55～125 ℃，误差范围为-0.8～0.8 ℃。电路仿真时对多个工艺角进行分析，验证电路工作的稳定性。在不同工艺角下，对电路产生的IPTAT、ICTAT、二者的差值（IPTATICTAT）以及输出电流IOUT进行仿真，得到的仿真结果如图5 所示。当电路工作在最低温度时，IPTAT和ICTAT的差值较小，为0.7 μA，且二者差值的斜率较小，通过改变电流镜的比例，最终获得了一个满足本设计要求的输出电流IOUT，其最大为31.2 μA，最小为2.8 μA。由图5可知，产生的电流都具有较好的线性特性，在不同工艺角下的相同电流具有相似的斜率。

图5 不同工艺角下IPTAT、ICTAT、二者的差值（IPTAT－ICTAT）以及IOUT

温度传感器输出电压VOUT的结果如图6 所示。图6（a）中，由于工艺角不同，输出电压存在轻微的偏差，在TT 工艺角下的温度系数为11.2805 mV/℃，在SS工艺角下的温度系数为11.1469 mV/℃，在FF 工艺角下的温度系数为11.3781 mV/℃。图6（b）为温度传感器输出电压的误差精度，在不同工艺角下，输出电压的误差精度略微不同，但均在-0.8～0.8 ℃范围内。

图6 温度传感器输出电压及误差精度

表1 为本设计与文献中的温度传感器的对比，从表中可知，本文设计的温度传感器的温度工作范围为－55～125 ℃，在宽温度范围内，输出电压温度系数较大，在不额外添加校准电路的情况下，仍然可以保证输出电压的误差精度。

可以根据不同工作温度范围和精度，合理设计相应的参数以获得合理的输出电压。若要获得更大的温度系数可以对电路参数进行调节，通过调节电阻R1和R2改变最小电流之差，增大电流镜比例获得更大的电流斜率，调节电阻R3改变输出电压范围。

表1 本设计与文献中的温度传感器的对比

5 结论

采用0.18 μm HVCMOS 工艺设计了一款基于BJT 的温度传感器电路，本设计通过两个温度特性互补的IPTAT和ICTAT的差值来产生斜率较大的IOUT，再将电流转换为电压，最后获得一个温度系数较大的输出电压。为提高输出电压的精度，采用电流增益补偿技术补偿BJT 的有限电流增益的影响，采用斩波稳定技术减小运放失调电压的影响。设计结果表明，在－55～125 ℃范围内，温度传感器输出电压温度系数为11.2 mV/℃，未校准时误差范围为-0.8～0.8 ℃。该温度传感器在较大的温度范围内具有较大的温度系数，电路结构较为简单，并且可在不改变电路结构的基础上根据不同的工作温度范围及设定的工作条件合理调节电阻值及电流镜比例。