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集成于系统芯片的低功耗温度传感器研究设计

2020-11-20 157 上传者：管理员

摘要：为了满足电子产品温度可监控、便携化和低功耗的需求,设计了一种带校准功能的低功耗温度传感器,集成于系统芯片,其核心是10位采样频率为200kHz的CyclicADC。在设计中使用ping-pong操作的积分放大器来对温度电压信号进行采样和使用触发采样模式,有效降低了功耗;同时使用数字校准技术消除了工艺和设计带来的误差,提高了精度。基于UMC55nm1P10M工艺完成了设计,仿真结果表明,该传感器在-55～125℃温度范围内,最大偏差为2.2℃,典型功耗为0.31mW,满足了设计的要求。

关键词：
低功耗
数字校准
温度传感器
电子产品
集成电路
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1、引言

在现代超大规模集成电路系统中，晶体管密度和电路工作频率增加使得芯片的工作温度明显上升，芯片的热问题成为了一个焦点。热问题会导致系统芯片的性能显著下降，降低电路的可靠性[1]，为了避免热损伤，必须及时发现过热现象并妥善处理。同时电子产品的便携化和低功耗需求越来越高，基于CMOS工艺的温度传感器因具有面积小并且可以和系统芯片集成的特点而被广泛应用。芯片集成了温度传感器，可以实时对芯片温度进行监控，及时调整芯片工作模式或者频率，对系统运行的可靠性、安全性具有重要的意义。

本文设计了一个集成于系统芯片的低功耗温度传感器，使用ping-pong操作的积分放大器对温度电压信号进行采样，并且提供2种采样模式，可有效降低功耗；同时使用数字校准技术消除了工艺和设计带来的误差，使得温度传感器有着比较高的精度，满足了现代电子产品的需求。

2、温度传感器的设计

2.1 整体电路

温度传感器电路主要由温度感应电路、1.5位CyclicADC[2]和数字校准模块3部分组成，如图1所示。该电路的核心是一个10位、采样频率200kHz的AD转化器，包括预处理电路、基准电压、采样模式控制和量化电路。温度感应电路的作用是将温度信号转化为电压信号，再通过采样放大电路将温度电压信号进一步放大后送给ADC进行量化。数字校准电路的作用是通过数字算法将设计和工艺上的偏差进行校准。

图1温度传感器的整体原理图

2.2 温度感应电路

温度感应电路包含两个部分，一是温度感应器，如图2所示，二是将温度感应器的电压信号进行采样并放大的电路。温度感应器能将温度信号转换成对应的电压信号。这个电压信号与温度成正比，即该电压呈正温度系数。如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比[3]。

图2温度感应器

如果两个双极晶体管集电极电流相同，面积相差m倍，忽略它们的基极电流，那么

这样，VBE的差值就表现出正温度系数：

本文设计的温度采样电路差分输出电压ΔVout满足：

其中k为波尔兹曼常数，T为温度，q为电荷常数。从式（3）可以看出，Q1、Q2二者的三极管数量之比等于10。

本文设计的温度传感器的电压（Sv）与输出数据（Ac）的关系如下：

温度传感器的温度和编码之间的关系如图3所示，-55℃对应的编码为1BBh,125℃对应的编码为329h。

图3温度和编码之间的关系

温度采样放大电路结构如图4所示，该电路的主要部分是由2个ping-pong结构的开关电容积分放大器[4]组成，放大倍数为10倍。这种结构的好处是2个开关电容积分放大器交替工作，并且在每次采样时不需要将采样电容上的电荷清空，而是在上一次采样的基础上对电荷进行增加或者减少，这样即可有效降低功耗。图4中的电路作用是对图2中的VBE1和VBE2两端的输出电压进行采样放大10倍后再送给后面的ADC进行量化。

图4积分放大器

2.3 1.5位循环迭代ADC

ADC电路由偏置电路、模式控制电路[5]、采样保持电路、预处理电路、转化电路[6]组成，其中采样电路和转化电路是ADC的核心部分。1.5位循环迭代ADC电路原理如图5所示。

图51.5位循环迭代ADC电路原理

预处理电路的作用是将采集到的信号统一到0.5～1.5V范围内，方便量化电路的量化。图6为预处理电路，该电路还具有采样功能，可以对输入的连续信号进行采样。图6中的Vrefn、Vrefp为2个固定电压，分别为0.5V和1.5V。

量化电路中使用了2个比较器，电路结构如图7所示。左右两半电路连接成了一个锁存结构。M1、M2和M3、M4都是工作在线性区的PMOS，时钟有效时，如果M1、M2的导通能力强，则OUT1锁定为高电平，OUT2锁定为低电平，M3、M4亦然，只有靠时钟信号复位才能解锁。M1、M4的尺寸为M2、M3的4倍。因此，在使M1、M4为线性区的范围内，只要V2-V1>0.25V,OUT1输出高电平，OUT2输出低电平。同样地，对于另一个比较器，把1.5V和0.5V的位置互换，那么只要V1-V2>0.25V,OUT1输出低电平，OUT2输出高电平。这样2个比较器就形成了2个比较点[7]，把整个电压区间分成了3段，由数字电路分别量化成00、01和10。

图6预处理电路

图7量化比较器电路

本文设计的温度传感器电路为了进一步降低功耗，在ADC信号的采样模式上设计了连续采样和信号触发采样2种工作方式，当需要更低功耗时可以选择信号触发采样方式。连续采样周期通常为4个ADCCLK，也可以设置为10个ADCCLK；转化周期为22个ADCCLK。信号触发采样时，只有CONVST信号到来时才将采样得到的数据送给后面的量化电路进行转化，转化周期仍为22个ADCCLK，从而降低了功耗。这2种采样方式的时序如图8和图9所示。

图8连续采样模式时序

图9信号触发采样模式时序

2.4 数字校准

每级1.5位的ADC在量化区间的中间设置了01这个数据区间，意义在于把中间一段量化成一个尚未确定的数据，将下次比较得到的结果叠加上去，才能得到一个确定的数据。当下次比较得到的高位为1时，与01叠加，得到10；当下次比较得到的高位为0时，与01叠加，得到01。这样中间这个区间的量化结果就确定了。所以，这个量化结果的第一位是完整的数据，第二位是校验位。通过数字矫正算法[8],ADC输出的每一位都可以通过本次比较得到的两位数据和下次比较得到的高位数据确定。具体实现方法如图10所示。

电路中的选择器利用一组脉冲进行选通，脉冲的个数为16个。在每一个转化周期的最后时刻，本电路产生一个选通脉冲，将ADC转化出的数据选通进来。图10中的电路是2个16位的移位寄存器，ADC转化电路产生的高位和低位数据分别写入上面和下面的移位寄存器中。中间是16位全加器，低位寄存器的第N位与高位寄存器的N+1位相加。每个时钟周期到来时，移动寄存器中的数据右移一位。16个周期后，2个移位寄存器中就分别装载了高位和低位的16位数据。

图10数字矫正电路结构

高位和低位的16位数据经过移位相加后，实现了数字矫正。此时采集16个全加器的状态，就得到了16位ADC的输出数据。这16位数据中只有高10位是有效的。

2.5 版图设计

该电路的版图布局如图11所示，版图的左上角为数字校准模块，中间为1.5位CyclicADC模块，右上角为基准电路，右下角为温度感应器。该版图位于系统电路的正中间，可以更精确地监控系统电路的温度。

图11版图布局

3、仿真结果

在25℃、TT工艺角下，对ADC进行温度监测模式的仿真验证。温度采样时序如图12所示，对应图4中所示的13个控制信号。S1或S2的频率是时钟源的一半，即S1或S2每个周期为2个时钟周期，6个时钟周期为1个采样周期，图12中的T0～T5即为1个采样周期。结合图4和图12，每个采样周期工作过程如下：

T0:S1断开，S2导通，电容C1左端接VBE2，电容C2左端接VBE1。S3、S5断开，S4闭合，A支路处于保持状态；S5断开，S6导通，V1、V2为运放A的输出。S8闭合，S9、S10断开，C3、C4一端接VCM，清除上个周期残留的电荷。S3′、S5′闭合，S4′断开，B支路处于单位增益放大模式。

T1:A支路处于保持状态，V1、V2为运放A的输出。S9闭合，S8、S10断开，C3、C4分别并联到运放B的输入输出端。S3′、S4′闭合，S5′断开，电容C3、C4、C5′、C6′充电采样，B支路进入采样积分模式。

T2:A支路继续处于保持状态。S3′、S5′断开，S4′闭合，B支路进入保持状态，V1、V2为运放B的输出。图4中3个开关都断开，C3、C4电荷保持。

T3:B支路处于保持状态，V1、V2为运放B的输出。S8闭合，S9、S10断开，C3、C4一端接VCM，清除上个周期残留的电荷。S3、S5闭合，S4断开，A支路处于单位增益放大模式。

T4:B支路处于保持状态，V1、V2为运放B的输出。S10闭合，S8、S9断开，C3、C4分别并联到运放A的输入输出端。S3、S4闭合，S5断开，电容C3～C6充电采样，A支路进入采样积分模式。

T5:B支路继续处于保持状态。S3、S5断开，S4闭合，A支路进入保持状态，V1、V2为运放A的输出。图4中3个开关都断开，C3、C4电荷保持。

图2中VBE1、VBE2的仿真波形如图13所示，其差值ΔVBE为59mV。温度采样电路的输出电压V1、V2如图14所示。V1、V2经过多个时钟周期后，电压逐渐趋于稳定。稳定后，V1=723.45mV、V2=1.31448V（其差值与ΔVBE的比值约等于10），代入到式（4）中可得到温度值为24.6℃，温度采样电路的功能正常。

图12温度采样时序

图13BJT电路输出电压

图14温度采样放大电路输出波形

V1、V2经过ADC的量化和数字校准后得到10位数据，如图15所示，该数据为1001011011，根据式（4）温度和编码之间的关系，得出ADC输出的温度值为23.5℃。

图15监测温度时ADC输出数据

表1是在-55～125℃温度范围内，温度传感器的仿真结果以及功耗统计，最大偏差为2.2℃，满足±4℃的设计要求。

表1-55～125℃温度范围仿真结果

4、结论

本文设计的集成于系统芯片的带校准功能的低功耗温度传感器，采样电路使用了ping-pong操作的积分放大器，并且提供了2种采样模式可以选择，可有效降低功耗，传感器的最大误差为2.2℃，满足±4℃的设计要求，典型功耗为0.31mW，适合便携电子产品的应用。

参考文献：

[1]魏建军,王振源,陈付龙,等.温度和频率对互连线信号完整性的影响[J].哈尔滨工程大学学报,2019,40(4):834-838.

[6]唐林,杨谟华,于奇.一种用于10位100M流水线A/D转换器的CMOS线性采样开关[J].微电子学,2005,35(2):199-202.