CMOS帶隙溫度傳感器電路的研究.pdf

1、在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過(guò)程中，溫度是需要測(cè)量和控制的一個(gè)重要參數(shù)，因此，在各種傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的一種。而其中集成電路溫度傳感器與傳統(tǒng)類型溫度傳感器相比，具有靈敏度高、線性好、體積小、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。以往大多數(shù)的集成溫度傳感器是用雙極型工藝實(shí)現(xiàn)的，但是CMOS電路憑其工藝簡(jiǎn)單、器件面積小、集成度高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)今的主流工藝，所以能在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)的集成溫度傳感器在多傳感器系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償、VLSI芯片功

2、耗控制、自動(dòng)化制造工廠的環(huán)境溫度監(jiān)控、消費(fèi)電子產(chǎn)品的溫度控制等系統(tǒng)中具有廣闊的開發(fā)與應(yīng)用前景。國(guó)外CMOS溫度傳感器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。但在國(guó)內(nèi)CMOS溫度傳感器的研究設(shè)計(jì)和生產(chǎn)尚處于起步階段，還沒(méi)有產(chǎn)品在市場(chǎng)上出現(xiàn)。本文分析了國(guó)內(nèi)外CMOS溫度傳感器產(chǎn)品和文章，比較了各種設(shè)計(jì)原理的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了以CMOS工藝寄生的縱向雙極晶體管作為感溫元件的測(cè)溫原理進(jìn)行溫度傳感器電路的設(shè)計(jì)。 本文在學(xué)習(xí)和分析了各種利用寄生雙極

3、晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)的CMOS溫度傳感器電路形式的基礎(chǔ)上，采用了帶隙的感溫結(jié)構(gòu)(工作在不同電流密度下的兩個(gè)雙極晶體管基．射極電壓差與絕對(duì)溫度成正比，也叫PTAT(proportional tu absolute temperature，與絕對(duì)溫度成正比)電路。并結(jié)合所掌握的模擬電路原理和知識(shí)，提出了采用兩個(gè)三極管串聯(lián)以提高溫度靈敏度和降低運(yùn)算放大器失調(diào)的影響，以及在PTAT電路后加上一條電流鏡和電阻的支路使輸出的溫度敏感電壓為兩電阻比值的函數(shù)

4、，消除了單個(gè)電阻溫度系數(shù)對(duì)溫度傳感器溫度靈敏度的絕對(duì)值及線性的影響。對(duì)于后續(xù)接口部分，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路和比例放大電路以達(dá)到系統(tǒng)對(duì)輸出電壓范圍和溫度靈敏度的要求。采用Hspice電路仿真工具在全溫度測(cè)量范圍內(nèi)(-40℃+60℃)對(duì)電路的溫度特性和電壓輸出范圍進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)比例放大電路中反饋電阻的大小，溫度傳感器輸出電壓的溫度靈敏度可達(dá)到10mV/℃左右。 本文采用Tanner<'TM>L-edit軟件完成了版圖設(shè)計(jì)

5、。在設(shè)計(jì)中，考慮到本文所設(shè)計(jì)的溫度傳感器是用于5V電源系統(tǒng)中及成本的降低，選擇采用2μM的CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的制造。文中對(duì)電路中關(guān)鍵器件的版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并充分考慮了布局布線對(duì)模擬電路的影響，完成了DRC文件、版圖參數(shù)提取文件等必要的版圖設(shè)計(jì)的輔助文檔，通過(guò)后仿真驗(yàn)證了版圖與電路原理圖的一致性。 電路的制備采用2μm P阱單多晶單金屬工藝，在中國(guó)電子科技集團(tuán)第58研究所流片。文中給出了工藝參數(shù)和電路各主要模塊性能的