[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

权利要求书

1.一种应用于数字式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I_CT，放电电容C₁根据感温电流I_CT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I_PT，放电电容C₂根据感温电流I_PT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V_G；

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；V_G作为OP运放的输入，通过基于OP控制的V-I转换电路将V_G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V_DD，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κV_DD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V_DD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：

$t=\frac{{\mathrm{\κCV}}_{DD}}{I}---\left(1\right)$

对于PTAT延迟电路

对于工作在深度线性区的线性MOS电阻M21，I_PT通过下式计算：

$I_{PT}={\mathrm{\μC}}_{OX}\left(\frac{W}{L}\right)\[(V_{GS}-V_{TH})V_{DS}-\frac{V_{DS}^2}{2}\]---\left(2\right)$

其中，I_PT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；C_OX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；V_GS表示线性MOS电阻M21的栅源电压；V_TH＝V_TH0+α(T-T₀)，V_TH0表示线性MOS电阻M21在温度300K时的阈值电压，α为工艺参数；V_DS表示线性MOS电阻M21的源漏电压；

取V_DS＜＜(V_GS-V_TH)，即可忽略式(2)中的二次项，得到将该式带入式(1)可得：

$t_{PT}=f\left(T\right)=\frac{{\mathrm{\κC}}_2{V}_{DD}{T}_0^{km}}{T_{PT}}\≈\frac{A}{T^{km}(B-\mathrm{\α}T)}---\left(3\right)$

式(3)中，t_PT为PTAT延迟电路的延迟，A、B均为常数：

$A=\frac{{\mathrm{\κC}}_2{V}_{DD}{T}_0^{km}}{{\mathrm{\μ}}_0{C}_{OX}(W/L)V_{DS}}---\left(4\right)$

B＝V_GS-V_TH0+αT₀(5)

对f(T)求一阶和二阶导数：

$f^{\′}\left(T\right)=\frac{A}{T^{km+1}(B-\mathrm{\α}T)}(-kmB+\mathrm{\α}(km+1\left)T\right)---\left(6\right)$

$f^{\′\′}\left(T\right)=\frac{Akm(km+1)}{T^{km+2}(B-\mathrm{\α}T)}-\frac{2A\mathrm{\α}km}{T^{km+1}{(B-\mathrm{\α}T)}^2}+\frac{2{\mathrm{A\α}}^2}{T^{km}{(B-\mathrm{\α}T)}^3}---\left(7\right)$

由泰勒定理，对t_PT进行二阶泰勒展开，忽略更高阶项，同时令式(7)为0，可得：

$B_0=\mathrm{\α}T\[(1+\frac{1}{km+1})\±\sqrt{{(1+\frac{1}{km+1})}^2-(1+\frac{2}{km})}\]---\left(8\right)$

$V_{GS0}=V_{T0}+\mathrm{\α}T\{\[(1+\frac{1}{km+1})\±\sqrt{{(1+\frac{1}{km+1})}^2-(1+\frac{2}{km})}\]-\frac{T_0}{T}\}---\left(9\right)$

上述两式中，B₀和V_GS0是在式(7)等于0时B与V_GS的取值；通过不断改变加在线性MOS电阻M21栅极的偏置电压V_REF，得到不同偏置电压V_REF的1/I_PT与温度的波形图；

对于CTAT延迟电路

由欧姆定律可知，I_CT＝V_R/R₁，I_CT表示通过感温电阻R₁的电流，V_R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+K_TC1×dT+K_TC2×(dT)²) (10)

式(10)中，K_TC1表示一阶温度系数，K_TC2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t_CT根据下式计算：

$t_{CT}=g\left(T\right)=\frac{{\mathrm{\κC}}_1{V}_{DD}}{I_{CT}}=\frac{{\mathrm{\κC}}_1{V}_{DD}{R}_1\left(T\right)}{V_R}---\left(11\right)$

将式(10)带入式(11)并对g(T)求一阶和二阶导数：

$g^{\′}\left(T\right)=\frac{{\mathrm{\κC}}_1{V}_{DD}{R}_0}{V_R}(K_{TC1}-2{T_0}^{\′}{K}_{TC2})---\left(12\right)$

$g^{\′\′}\left(T\right)=\frac{2{\mathrm{\κC}}_1{V}_{DD}{R}_0{T_0}^{\′}}{V_R}{K}_{TC2}---\left(13\right)$

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/I_CT与温度的波形图；

将不同偏置电压V_REF的1/I_PT与温度的波形图与不同感温电阻R₁的1/I_CT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V_REF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。

2.根据权利要求1所述的应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，其特征在于：所述前置电源电压分压电路将电源电压V_DD三十等分，采用两次分压方式，第一次分压采用源衬短接的PMOS管五等分，第二次分压采用六个相同电阻六等分，两次分压间采用运放缓冲器。