低功耗高线性度CMOS温度传感器的原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明专利——一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器。该专利由中国科学院上海高等研究院申请，并于2019年1月4日获得授权公告。

内容说明

本发明涉及一种温度传感器电路，特别是涉及一种低功耗、高线性度的CMOS温度传感器。

发明背景

温度是一个基本的物理现象，它是生产过程中应用最普通、最重要的工艺参数，无论是工农业生产，还是科学研究和国防现代化，都离不开温度测量，因此，在各种传感器中，温度传感器是应用最广泛的一种。集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是在PN结温度传感器的基础上发展起来的，具有体积小，稳定性好和价格低廉等特点。

目前，CMOS集成温度传感器的主要实现方式包括：基于MOS管的温度传感器以及基于CMOS工艺下的寄生双极型晶体管（BJT）的CMOS BJT温度传感器。常见的基于MOS管的温度特性实现温度传感器的方法有两种：

1）利用处于亚阈值状态的MOS管的漏源电流具有与绝对温度成正比（PTAT）特性来实现温度传感。由于MOS管在高温情况下，其自身的泄漏电流非常明显，使得高温下处于亚阈值状态下的MOS管的漏源电流所具有的PTAT特性受到严重影响，因此利用MOS管的亚阈值电流的PTAT特性的这种方法来实现的温度传感器的测温范围不能太宽，否则会严重影响其测温精度；

2）利用强反型状态下MOS管中的载流子迁移率以及阈值电压依赖于温度这样的温度特性来实现温度传感器。这种方法的优点是温度精度很好，主要缺点在于受工艺波动的影响较大，在高性能要求时必须有大范围的微调和校准工作。

CMOS BJT温度传感器是利用CMOS工艺下的寄生双极型晶体管产生正比于温度的电压特性来实现温度的检测。相比于MOS温度传感器，该结构线性度较好且工艺稳定。功耗和精度是衡量CMOS集成温度传感器的主要技术指标，尽管如今的CMOS集成温度传感器在这两项指标上比过去有了较大的进步，但是，现有的CMOS集成温度传感器仍然存在功耗与精度不可兼顾的问题，因此，实有必要提出一种技术手段，以解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种低功耗、高线性度的CMOS温度传感器，实现了一种基于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度的温度传感器，可用于温度监控。

为达上述及其它目的，本发明提出一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，至少包括：启动电路，包括三个P型MOS晶体管，于系统正常工作时消耗的电流为pA级，该启动电路用于防止电路锁定工作在截止状态；与温度相关的电流产生电路，与该启动电路连接，该与温度相关的电流产生电路利用MOS管的亚阈值特性，产生一功耗低且与温度相关的电流；温度感应电路，通过电流镜将该与温度相关的电流产生电路所产生的电流提供给一基极-集电极短接的PNP晶体管，在该PNP晶体管发射极产生一与温度线性相关的电压。

该启动电路包括第六PMOS管、第七PMOS管以及第八PMOS管，该第六PMOS管与该第七PMOS管源极接电源电压，该第七PMOS管漏极接该与温度相关的电流产生电路，栅极接该第六PMOS管漏极，该第六PMOS管栅极接该与温度相关的电流产生电路，该第八PMOS管栅漏相接组成反向二极管，该反向二极管阴极接至该第六PMOS管漏极和该第七PMOS管栅极，阳极接地。

该与温度相关的电流产生电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、电流镜以及第五PMOS管，该第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管源极接电源电压，该电流镜偏置端连接该第二PMOS管漏极和第五PMOS管漏极，该电流镜输出端连接该第三PMOS管与第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及该第一NMOS管栅极，该第一PMOS管的栅漏相接组成正向二极管，并连接至该第二PMOS管、第三PMOS管与该第六PMOS管栅极、该第一NMOS管漏极以及该温度感应电路，该第一NMOS管源极接该电流镜，栅极接该第三PMOS管、第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及该电流镜输出端，该第五PMOS管栅极地，其横向连接在该电流镜偏置端和输出端之间。

该电流镜包括第二NMOS管、第三NMOS管以及一偏置电阻，该第二NMOS管栅漏相接组成正向二极管，其源极连接该偏置电阻至地而漏极连接至该第二PMOS管以及该第五PMOS管漏极，该第三NMOS管栅极和该第二NMOS管栅极相接，其源极接地而漏极接该第三PMOS管和第七PMOS管漏极、第五PMOS管源极以及第一NMOS管的栅极。

该温度感应电路由包括第四PMOS管和一PNP三极管，该第四PMOS管源极接电源电压，栅极接该第二PMOS管、第三PMOS管与第六PMOS管栅极、栅漏相接的第一PMOS管的栅极与漏极以及第一NMOS管的漏极，以在栅极电压的控制下跟随该电流产生电路的电流，该第四PMOS管漏极接该PNP三极管的发射极，该PNP三极管的基极和集电极相接组成正向二极管，其发射极为该CMOS温度传感器的输出端。

与现有技术相比，本发明一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器通过防止电路锁定工作在截止状态的启动电路、利用MOS管亚阈值特性产生一与温度相关的电流的与温度相关的电流产生电路以及将温度相关电流产生电路所产生的与温度相关的电流提供给基极-集电极短接的PNP晶体管的温度感应电路，达到了实现一种基于标准CMOS工艺的全集成低功耗、高线性度温度传感器的目的。