一种智能温度传感器的设计
林伟文
摘要：设计一款智能低功耗型温度传感器，用衬底PNP感知温度变化，并采用三阶Sigma-deltaADC作为读出电路，将温度值转化为数字量输出。采用线性函数对ADC输出量进行拟合。整体电路采用中芯国际0.18μmCMOS工艺进行设计，在1.8V供电电压下，功耗为.3μW。测量温度范围为0～℃。ADC有效位数11.2位，采样频率为4kHz，信噪比为90dB。
关键词：温度传感器；低功耗；模拟数字转换器。
中图分类号：TP文章编号：-()04--03
DOI：10./j.issn.-..04.
中文引用格式：林伟文.一种智能温度传感器的设计[J].集成电路应用,,37(04):54-56.
DesignofaSmartTemperatureSensor
LINWeiwen
Abstract—Thisstudyaimstodesignasmartlow-powertemperaturesensor.AmethodusingsubstratePNPtosensetemperaturechangeisbeingused.Usingathird-ordersigma-deltaADCtoconvertthetemperatureintodigitaloutput.AlinearfunctionisusedtofittheADCoutput.Theproposedtemperaturesensorwasimplementedin0.18μmCMOStechnologyprovidedbySMIC(SemiconductorManufactoryInternationalCorporation).Under1.8Vsupplyvoltage,thepowerconsumptionis.3μW.Themeasurabletemperaturerangeis0～℃.TheADCperforms11.2bitsENOB.Thesamplingfrequencyis4kHz,andthesignal-to-noiseratiois90dB.
IndexTerms—temperaturesensor,low-power,ADC.
0引言
温度传感器是工业界和生活中应用最广泛的一类物理量传感器[1-5]。传统的温度传感器以铂和铜为主要材料[6-9]，以分立元器件形式存在，体积较为庞大，并且不为当前主流的流片代工工艺所接受。
本文提出了一种采用单BJT衬底PNP感知温度结构的三阶Sigma-deltaADC温度传感器，仅用一个PNP晶体管对温度作感知读取,即可对温度与电压进行拟合。
本文第1部分介绍了集成性温度传感器的工作原理。第2部分介绍了温度传感器感温电路以及ADC架构和实现电路。第3部分给出了仿真测试结果。在文章的最后进行总结。
1基于BJT的感温电路
PN结是利用多子和少子在偏置电压和势垒电压下传输的特点进行工作的。记PN结的电压为VBE，结电压差为ΔVBE，则有式（1）和式（2）[10]。
（1）
（2）
其中，T是温度，q是电子电荷量，Eg是硅的带隙能量，k是波耳兹曼常数，N为产生VBE电压差ΔVBE的两个偏置电流支路的电流比，VT定义如式（3）所示。
（3）
即PN结的电压呈负温度特性，PN结的电压差呈正温度特性。
ADC电路结合传感器，利用比率计原理，可以构造出与温度呈线性关系的电压比值，构造形式如式（4）所示[11]。
（4）
其中，记式（4）分母为VREF,是带隙基准电压，如式（5）所示，其电压值在工作范围内随温度变化近似可忽略[12]。因此，由式（4）得出的X值将随温度呈现一次函数的特性。
（5）
通过线性拟合后，能够将温度值与读出电路的输出一一对应，如式（6）所示[11]。
（6）
但该类型的温度传感器需要同时对PN结电压和PN结电压差进行采集，如果采用普通CMOS工艺，仅有衬底PNP类型可供使用，至少需要用到两个衬底PNP同时感知温度，对PN结电压和结电压差进行处理，才能同时拟合出温度与电压的关系。
VBE和ΔVBE各自对Dout敏感度由式（7）和式（8）所定义[13]。由于VBE和ΔVBE会对输出Dout的精确值造成影响，同时控制两者，以达到所需的温度精度将存在较大的困难。
（7）
（8）
本文提出仅采用单个BJT的VBE电压作为温度的感知读取量，且利用电源电压作为参考电压，避免了利用与温度无关基准电压作为参考电压所带来的感温器件量多，电压叠加复杂以及多温度-电压敏感量所带来的精确性多变量制约的问题。
2温度传感器系统结构和实现电路
本文设计中采用单个衬底PNP感知温度的变化量作为待读取量，温度变化转为PN结电压的变化，温度与电压的关系由式（1）给出。接着，通过三阶Sigma-deltaADC作为读出电路，将PN结电压模拟量转为数字量。
通过比较器的输出来控制参考电压极性，完成参考电压与输入电压交替在采样电容中充电，实现电荷平衡，其具体过程可由式（9）表示。最终，输出码流密度μ将如式（10）所示。由式（10）即可得出电路的输出量与温度相关联。
（9）
（10）
各级积分器由跨导放大器和采样电容、积分电容构成，具体电路如图1所示[14]。采用两相不交叠时钟控制。
由于单位量化器线性度非常高，因此，在设计中采用单位量化器对调制器的输出进行量化[15]。对于量化噪声来说，Sigma-deltaADC相当于高通滤波器。因此，量化噪声将被调制到高频处，而对于传感器所