[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，可用于全集成低功耗高精度的CMOS温度传感器中，属于微信号传感检测技术。

背景技术

温度检测技术是一项重要的微弱信号检测技术，随着半导体和集成电路工艺的发展，温度传感器的设计和发展进入了一个新的纪元。在便携式系统的风潮下，设计能够适应这种片上体系的面积小、功耗低、精度高的温度传感器，成为集成电路研究热门领域。温度传感器检测的实现可归纳为ADC与TDC两种方式，前者需要温度感应模块将温度信号转化成电压或电流信号，后者需要温度感应模块将温度信号转化成时间量。

利用CMOS构建温度传感器一般有2种途径：其一是利用MOS管的亚阈值区构造MOS管的PTAT，灵敏度可达1.32mV/℃，但对偏置源的依赖有100mV/V，且高温下会产生漏电，因对阈值电压VTH依赖大，在高性能要求时，必须有大范围的微调和校准，不具备长期稳定性；另一途径是通过强反型状态下，MOS管的载流子迁移率μ与VTH和温度的关系加以测量，基于此有5种设计方案：①只基于μ随温度的改变；②只基于VTH随温度的改变；③同时考虑VTH和μ两个变量；④利用MOS器件的零温度系数点ZTC；⑤利用逻辑门延时随温度增加的原理来构建的数字环振。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，以实现TDC结构的温度检测，本发明提供一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，在实现高精度测量的同时，简化电路结构、减小了电路面积和功耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于数字式CMOS温度传感的脉宽信号产生电路，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(即I_CT和I_PT不相同)，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。

具体的，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。

具体的，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：

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：

式(2)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MOS电阻M21的栅氧化层厚度；W/L表示MOS电阻M21的宽长比；V_GS表示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；