低功耗宽感温范围片上CMOS温度传感器的设计.pdf
摘要
摘要
随着集成电路技术发展,电路系统的集成化成为工业界的发展潮流,将传感器、
处理器等系统集成在同一块芯片内,可大幅降低芯片的成本,另一方面,温度作为
最常见的环境物理量,获取芯片温度信息可实施芯片热管理。CMOS温度传感器
采用集成电路工艺制造,可与其他电路系统集成在一起,更进一步,将多个CMOS
温度传感器布置于芯片中,实现多点测温以实施精准热管理,这对CMOS温度传
感器的设计提出更高的要求,如低功耗、小面积等。另外,CMOS温度传感器可应
用在工业领域等严苛的环境,宽感温范围成为CMOS温度传感器的其中一个重要
的发展方向。
本文广泛调研国内外先进CMOS温度传感器,分析对比不同感温器件、不同
信号域的温度传感器优劣势,最终提出两种类型低功耗宽感温范围的CMOS温度
传感器——MOS型时域CMOS温度传感器和电阻型时域CMOS温度传感器。
基于130nm工艺,本文提出基于MOS感温和电阻感温的两种时域CMOS温
度传感器架构(1)MOS型时域CMOS温度传感器的创新点为利用CTAT电压基
准和单链路MOSFET感温电流架构结合,扩展MOS型CMOS温度传感器的感温
范围,经绘制版图和后仿真验证,芯片整体面积为0.045mm2,整体功耗为62nW。
额定工作电压为0.8V,在-40~125℃的感温范围内,两点校准后的误差为+0.5/-0.5℃。
(2)电阻型时域CMOS温度传感器的创新点为电阻感温元件和时域温度传感器架
构结合,形成结构简单、性能稳定的CMOS温度传感器,经流片和测试验证,芯
2
片整体面积为0.025mm,整体功耗为169μW。额定工作电压为1.5V,在-40~125℃
的感温范围内,两点校准并系统误差去除后的误差为+0.5/-0.5℃,电源灵敏度为
4℃/V。
关键词:时域CMOS温度传感器,亚阈值区电流,宽感温范围,电阻,张弛振荡
器
I
ABSTRACT
ABSTRACT
Withthedevelopmentofintegratedcircuittechnology,theintegrationofcircuit
systemshasbecomeatrendintheindustrialworld.integratingsensors,processorsand
othersystemsintothesamechipcansignificantlyreducethecostofthechip,ontheother
hand,temperatureasthemostcommonphysicalquantityoftheenvironment,obtaining
thetemperatureinformationofthechipcanbeusedtoimplementthethermal
managementofthechip.theCMOStemperaturesensorsaremanufacturedusingthe
integratedcircuitprocess,whichcanbeintegratedwithothercircuitsystems.CMOS
temperaturesensorsarefabricatedusinganintegratedcircuitprocessandcanbe
integratedwithother