今天為大家介紹一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利——一種低功耗、高線性度CMOS溫度傳感器。該專利由中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院申請(qǐng)，并于2019年1月4日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說(shuō)明

本發(fā)明涉及一種溫度傳感器電路，特別是涉及一種低功耗、高線性度的CMOS溫度傳感器。

發(fā)明背景

溫度是一個(gè)基本的物理現(xiàn)象，它是生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最普通、最重要的工藝參數(shù)，無(wú)論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還是科學(xué)研究和國(guó)防現(xiàn)代化，都離不開(kāi)溫度測(cè)量，因此，在各種傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的一種。集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問(wèn)世的，它是在PN結(jié)溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有體積小，穩(wěn)定性好和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

目前，CMOS集成溫度傳感器的主要實(shí)現(xiàn)方式包括：基于MOS管的溫度傳感器以及基于CMOS工藝下的寄生雙極型晶體管（BJT）的CMOS BJT溫度傳感器。常見(jiàn)的基于MOS管的溫度特性實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的方法有兩種：

1）利用處于亞閾值狀態(tài)的MOS管的漏源電流具有與絕對(duì)溫度成正比（PTAT）特性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度傳感。由于MOS管在高溫情況下，其自身的泄漏電流非常明顯，使得高溫下處于亞閾值狀態(tài)下的MOS管的漏源電流所具有的PTAT特性受到嚴(yán)重影響，因此利用MOS管的亞閾值電流的PTAT特性的這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的溫度傳感器的測(cè)溫范圍不能太寬，否則會(huì)嚴(yán)重影響其測(cè)溫精度；

2）利用強(qiáng)反型狀態(tài)下MOS管中的載流子遷移率以及閾值電壓依賴于溫度這樣的溫度特性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度傳感器。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是溫度精度很好，主要缺點(diǎn)在于受工藝波動(dòng)的影響較大，在高性能要求時(shí)必須有大范圍的微調(diào)和校準(zhǔn)工作。

CMOS BJT溫度傳感器是利用CMOS工藝下的寄生雙極型晶體管產(chǎn)生正比于溫度的電壓特性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)。相比于MOS溫度傳感器，該結(jié)構(gòu)線性度較好且工藝穩(wěn)定。功耗和精度是衡量CMOS集成溫度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，盡管如今的CMOS集成溫度傳感器在這兩項(xiàng)指標(biāo)上比過(guò)去有了較大的進(jìn)步，但是，現(xiàn)有的CMOS集成溫度傳感器仍然存在功耗與精度不可兼顧的問(wèn)題，因此，實(shí)有必要提出一種技術(shù)手段，以解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之一目的在于提供一種低功耗、高線性度的CMOS溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的全集成低功耗、高線性度的溫度傳感器，可用于溫度監(jiān)控。

為達(dá)上述及其它目的，本發(fā)明提出一種低功耗、高線性度CMOS溫度傳感器，至少包括：?jiǎn)?dòng)電路，包括三個(gè)P型MOS晶體管，于系統(tǒng)正常工作時(shí)消耗的電流為pA級(jí)，該啟動(dòng)電路用于防止電路鎖定工作在截止?fàn)顟B(tài)；與溫度相關(guān)的電流產(chǎn)生電路，與該啟動(dòng)電路連接，該與溫度相關(guān)的電流產(chǎn)生電路利用MOS管的亞閾值特性，產(chǎn)生一功耗低且與溫度相關(guān)的電流；溫度感應(yīng)電路，通過(guò)電流鏡將該與溫度相關(guān)的電流產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的電流提供給一基極-集電極短接的PNP晶體管，在該P(yáng)NP晶體管發(fā)射極產(chǎn)生一與溫度線性相關(guān)的電壓。

該啟動(dòng)電路包括第六PMOS管、第七PMOS管以及第八PMOS管，該第六PMOS管與該第七PMOS管源極接電源電壓，該第七PMOS管漏極接該與溫度相關(guān)的電流產(chǎn)生電路，柵極接該第六PMOS管漏極，該第六PMOS管柵極接該與溫度相關(guān)的電流產(chǎn)生電路，該第八PMOS管柵漏相接組成反向二極管，該反向二極管陰極接至該第六PMOS管漏極和該第七PMOS管柵極，陽(yáng)極接地。

該與溫度相關(guān)的電流產(chǎn)生電路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、電流鏡以及第五PMOS管，該第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管源極接電源電壓，該電流鏡偏置端連接該第二PMOS管漏極和第五PMOS管漏極，該電流鏡輸出端連接該第三PMOS管與第七PMOS管漏極、第五PMOS管源極以及該第一NMOS管柵極，該第一PMOS管的柵漏相接組成正向二極管，并連接至該第二PMOS管、第三PMOS管與該第六PMOS管柵極、該第一NMOS管漏極以及該溫度感應(yīng)電路，該第一NMOS管源極接該電流鏡，柵極接該第三PMOS管、第七PMOS管漏極、第五PMOS管源極以及該電流鏡輸出端，該第五PMOS管柵極地，其橫向連接在該電流鏡偏置端和輸出端之間。

該電流鏡包括第二NMOS管、第三NMOS管以及一偏置電阻，該第二NMOS管柵漏相接組成正向二極管，其源極連接該偏置電阻至地而漏極連接至該第二PMOS管以及該第五PMOS管漏極，該第三NMOS管柵極和該第二NMOS管柵極相接，其源極接地而漏極接該第三PMOS管和第七PMOS管漏極、第五PMOS管源極以及第一NMOS管的柵極。

該溫度感應(yīng)電路由包括第四PMOS管和一PNP三極管，該第四PMOS管源極接電源電壓，柵極接該第二PMOS管、第三PMOS管與第六PMOS管柵極、柵漏相接的第一PMOS管的柵極與漏極以及第一NMOS管的漏極，以在柵極電壓的控制下跟隨該電流產(chǎn)生電路的電流，該第四PMOS管漏極接該P(yáng)NP三極管的發(fā)射極，該P(yáng)NP三極管的基極和集電極相接組成正向二極管，其發(fā)射極為該CMOS溫度傳感器的輸出端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種低功耗、高線性度CMOS溫度傳感器通過(guò)防止電路鎖定工作在截止?fàn)顟B(tài)的啟動(dòng)電路、利用MOS管亞閾值特性產(chǎn)生一與溫度相關(guān)的電流的與溫度相關(guān)的電流產(chǎn)生電路以及將溫度相關(guān)電流產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的與溫度相關(guān)的電流提供給基極-集電極短接的PNP晶體管的溫度感應(yīng)電路，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的全集成低功耗、高線性度溫度傳感器的目的。