一種電阻式VCO數(shù)字溫度傳感器電路

作者簡(jiǎn)介：儲(chǔ)敬雅（1995—），女，碩士，主要從事集成電路學(xué)習(xí)。

0   引言

近年來(lái)，半導(dǎo)體工藝的發(fā)展十分迅速，加快集成電路發(fā)展已成為許多國(guó)家的發(fā)展策略。在芯片制造產(chǎn)業(yè)，當(dāng)工藝尺寸縮小時(shí)，集成電路的集成度卻跟隨摩爾定律成倍增大，集成電路的復(fù)雜度也呈指數(shù)增長(zhǎng)，造成電路對(duì)環(huán)境變量的依賴性越來(lái)越高^[1]。電子設(shè)備的發(fā)展離不開(kāi)傳感器支持，電子設(shè)備的要求不斷提升，迫切需要傳感器技術(shù)的進(jìn)步。溫度傳感器對(duì)很多電子設(shè)備的正常工作至關(guān)重要，因此，進(jìn)行溫度傳感器的研究越來(lái)越有價(jià)值。

為了提高溫度傳感器的性能，提出了許多想法，主要是溫度感溫單元的選擇上。反相器與溫度的特殊關(guān)系為研究數(shù)字溫度傳感器提供了思路，通常反向器的門延時(shí)會(huì)隨著溫度發(fā)生變化，于是有了利用反向器門延時(shí)設(shè)計(jì)的時(shí)域溫度傳感器^[2]。環(huán)形振蕩器的建構(gòu)簡(jiǎn)單，其核心單元是反相器，環(huán)形振蕩器作為溫度傳感器的溫度敏感部分。相比僅基于延時(shí)單元的溫度傳感器，環(huán)形振蕩器構(gòu)成的溫度傳感的優(yōu)點(diǎn)是面積小，由于其需要較少的延時(shí)模塊，而且能夠重復(fù)利用相關(guān)單元^[3]。但是常用的環(huán)形振蕩輸出的振蕩頻率較高，因此設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)用分頻器分頻后再處理信號(hào)，這樣可以在電路設(shè)計(jì)方面，對(duì)精度差和誤差進(jìn)行權(quán)衡。

如圖1 為一個(gè)基于單環(huán)全數(shù)字的溫度傳感器^[5]。主要依賴于環(huán)形振蕩器輸出頻率與溫度線性相關(guān)，同時(shí)需要額外的參考時(shí)鐘進(jìn)行度量，通常采用分頻器降低頻率，計(jì)數(shù)器等處理后輸出數(shù)字信號(hào)量^[4]。雖然這種基于單環(huán)的溫度傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是為了提高精度會(huì)對(duì)溫度校正分段（一般大于5 段），增加了電路的硬件面積和開(kāi)銷。該電路的核心單元包括4 個(gè)部分：環(huán)形振蕩器VCO、分頻器、計(jì)數(shù)器和溫度校正。當(dāng)振蕩器VCO 輸出一個(gè)寬度與溫度呈正相關(guān)脈沖，但是VCO 輸出頻率太大，所以采用分頻器降低頻率，之后通過(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)的頻率，最后通過(guò)溫度校正電路將得到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為檢測(cè)的絕對(duì)溫度。

本文基于數(shù)字電路采用電阻構(gòu)成的VCO 進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)，計(jì)算出兩條不同延時(shí)鏈的周期之差，而兩條鏈的周期之差只與電阻有關(guān)，電阻的溫度特性線性相關(guān)，所以本設(shè)計(jì)與溫度線性相關(guān)。主要思路是為了提高溫度傳感器的指標(biāo)，包括精度和線性度，在基本振蕩器延時(shí)鏈引入電阻，另外此方法可以使用兩點(diǎn)校正原理對(duì)輸出溫度結(jié)果進(jìn)行校正，相比傳統(tǒng)的數(shù)字溫度傳感器的精度和線性度結(jié)果，本設(shè)計(jì)都有很大改善。

1   電路結(jié)構(gòu)

圖2 為本設(shè)計(jì)電阻式VCO 的數(shù)字溫度傳感器電路結(jié)構(gòu)圖，兩個(gè)環(huán)形振蕩器VCO1 和VCO2 產(chǎn)生與溫度有關(guān)的信號(hào)，通過(guò)分頻器、計(jì)數(shù)器、減法器計(jì)算出兩個(gè)周期信號(hào)Tclk1 和Tclk2 的周期差值Tclk2-Tclk1，最后經(jīng)溫度校正電路校正溫度后輸出T。

其中環(huán)形振蕩器VCO1 是電阻式振蕩器，如圖3。核心單元為反相器和電阻構(gòu)成的延時(shí)單元，最后一個(gè)延時(shí)單元與第1 個(gè)延時(shí)單元相連，組成的閉環(huán)回路構(gòu)成電阻式振蕩器，輸出信號(hào)為clk1。

另外環(huán)形振蕩器VCO2 是基本振蕩器，核心單元為反相器，首尾相連組成閉環(huán)回路構(gòu)成振蕩器，輸出信號(hào)clk2。

本設(shè)計(jì)VCO 用3 個(gè)CMOS 反相器延時(shí)單元構(gòu)成。VCO1 由CMOS 反相器和電阻構(gòu)成，其中clk1 是VCO1的輸出時(shí)鐘信號(hào)，VCO2 僅僅由CMOS 反相器構(gòu)成，其中clk2 是VCO2 的輸出時(shí)鐘信號(hào)。

CMOS 反相器串聯(lián)金屬電阻R_poly 的延遲時(shí)間為：(R_L+R_poly)CL，因此VCO1 的周期近似為：

經(jīng)過(guò)M 分頻器（M 是個(gè)確定的數(shù)值）之后，M 分頻器可以將輸入信號(hào)周期放大M 倍，使得輸出信號(hào)周期變?yōu)镸·Tclk1 和M·Tclk2。

經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器之后，得到：

其中，Tref 為參考時(shí)鐘周期，Nref 為參考時(shí)鐘計(jì)數(shù)數(shù)值，N1 為Tclk1 的計(jì)數(shù)數(shù)值，N2 為Tclk1 的計(jì)數(shù)數(shù)值。

經(jīng)過(guò)減法器運(yùn)算得出二者周期差值，如下式：

由于金屬電阻Rpoly 與溫度T 存在如下關(guān)系：

算式代入后運(yùn)算得出Tclk 與溫度T 具有以下關(guān)系：

所以Tclk 與溫度T 呈線性關(guān)系，進(jìn)一步可以推理獲得兩點(diǎn)校正算法原理，兩點(diǎn)校正指的是當(dāng)公式轉(zhuǎn)化成y=kx+b 形式，只要得到兩點(diǎn)(y1,x1)、(y2,x2)，便能計(jì)算出兩個(gè)數(shù)k 和b, 那么便可以得到y(tǒng)=kx+b 這條曲線，任意x 都能有唯一的y，而溫度與周期差值關(guān)系為：

其中，相當(dāng)于一個(gè)系數(shù)，而相當(dāng)于另外一個(gè)系數(shù)，校正階段通過(guò)算出的值得到Tclk 的大小，T 就是當(dāng)時(shí)測(cè)試的溫度。測(cè)試兩次便可計(jì)算出兩個(gè)系數(shù)，那么就可以通過(guò)該校正算法反推出溫度，這樣就會(huì)降低電路的面積和開(kāi)銷^[7]。

2   仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本電路設(shè)計(jì)的有效性，在130 nm CMOS工藝下進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。結(jié)果如圖5 所示。通過(guò)電阻式VCO 數(shù)字溫度傳感器和傳統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器的輸出溫度與實(shí)際溫度變化仿真對(duì)比，可以看出本設(shè)計(jì)線性度更優(yōu)。通過(guò)圖6 所示誤差仿真對(duì)比，可以看出本設(shè)計(jì)的溫度傳感器誤差在±0.5 ℃左右，誤差范圍約1 ℃，而傳統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器的誤差范圍為1.5 ℃，相比于傳統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器，電阻式VCO 的數(shù)字溫度傳感器在線性度、精度方面有所改善。

圖5 本設(shè)計(jì)溫度傳感器和傳統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器的輸出溫度與實(shí)際溫度變化仿真

圖6 本設(shè)計(jì)數(shù)字溫度傳感器和傳統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器的誤差仿真

3   結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，在改善傳統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器的精度和線性度方面，本文提出的一種電阻式VCO 的數(shù)字溫度傳感器可以滿足。

參考文獻(xiàn)：

[1] 艾倫.CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].馮軍,李智群,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2011:546-550.

[2] 李夢(mèng)雨.時(shí)間域數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)與集成方法研究[D].成都:電子科技大學(xué),2018.

[3] 馮曉龍.片上數(shù)字溫度傳感器的研究與設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2017.

[4] 李夢(mèng)雨.時(shí)間域數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)與集成方法研究[D].成都:電子科技大學(xué),2018.

[5] LI J,ZHOU P,NING N.A 0.1℃ accuracy ICO Temperature Sensor with Segmentation Algorithm[J].Electronics Letters,2018, 54(11):686-687.

[6] YANG K,DONG Q,JUNG W,et al.9.2 A 0.6nJ 0.22/+0.19°Cinaccuracy temperature sensor using exponential subthreshold oscillation dependence[C].ISSCC, IEEE,2017.

[7] 李靖,儲(chǔ)敬雅,田明,等.一種基于電阻式振蕩器的數(shù)字溫度傳感器電路:中國(guó),CN110995159A[P],2020-04-10.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）