数字CMOS片上温度传感器

摘要

数字CMOS片上温度传感器属于集成电路片上温度监控领域。利用晶体管阈值电压同温度的线性关系，本专利分别设计了基于驰张振荡器和基于斯密特触发器两种方案的温度传感器电路。这两种温度传感器精度均在1℃以内，而晶体管数目则大大减少，同时由于采用全CMOS结构，因而与当前的主流的集成电路制造工艺兼容。

主权项

1、基于斯密特触发器的数字CMOS片上温度传感器，其特征在于，所述温度传感器含有：输入电路，包含：第1 PMOS管，记为P1管，该管的源极接电源电压Vdd；第1 NMOS管，记为N1管，该管的源极接地，该管的栅极和所述P1管的栅极相连后构成输入信号Vin的输入端，所述输入端与地之间接有充电电容C；第2 PMOS管，记为P2管，该管的源极接电源电压Vdd；第2 NMOS管，记为N2管，该管的源极接地，所述N2管的漏极同时和所述N1管的漏极，P1管及P2管的漏极相连；当所述输入信号从低变高时，触发器的转换电平为： $V_{M+}=\frac{V_{\mathrm{TN}}+\sqrt{\frac{k_{p1}+k_{p2}}{k_{n1}}}·(V_{\mathrm{dd}}+V_{\mathrm{TP}})}{1+\sqrt{\frac{k_{p1}+k_{p2}}{k_{n1}}}}$ 其中，V_TN，V_TP分别为所述各NMOS管，PMOS管的阈值电压，k_p1，k_p2分别为P1管和P2管的放大系数，k_n1为N1管的放大系数；当所述输入信号从高变低时，触发器的转换电平为： $V_{M-}=\frac{V_{\mathrm{TN}}+\sqrt{\frac{k_{p1}}{k_{n1}+k_{n2}}}·(V_{\mathrm{dd}}+V_{\mathrm{TP}})}{1+\sqrt{\frac{k_{p1}}{k_{n1}+k_{n2}}}}$ 其中，V_TN，V_TP分别为所述各NMOS管，PMOS管的阈值电压，k_p1为P1管的放大系数，k_n1，k_n2分别为N1管和N2管的放大系数；成比例的反相器链，含有：第1级反相器，含有：第3 PMOS管，记为P3管，该管的源极接电源电压Vdd；第3 NMOS管，记为N3管，该管的源极接地，漏极和所述P3管的漏极相连，栅极和所述P3管的栅极相连后接所述输入电路的P2管的漏极；第2级反相器，含有：第4 PMOS管，记为P4管，该管的源极接电源电压Vdd；第4 NMOS管，记为N4管，该管的源极接地，漏极和所述P4管的漏极相连，栅极和所述P4管的栅极相连后接所述N3管，P3管的漏极；第3级反相器，含有：第5 PMOS管，记为P5管，该管的源极接电源电压Vdd；第5 NMOS管，记为N5管，该管的源极接地，漏极和所述P5管的漏极相连，栅极和所述P5管的栅极相连后接所述N4管，P4管的漏极；N5管的漏极，也即温度传感器的输出端fosc，又接至P2管和N2管的栅极；自偏置的阈值电压参考电路，含有：第8 PMOS管，记为P8管，该管的源极接电源电压Vdd；一个NMOS管，记为T3管，该管的源极接地，漏极和P8管的漏极相连；第9 PMOS管，记为P9管，该管的源极接电源电压Vdd；一个NMOS管，记为T6管，该管的栅极和所述T3管的漏极相连，源极串联一个电阻RS后接地，漏极接P9管的漏极；第0 PMOS管，记为P0管，该管的源极接电源电压Vdd，栅极接控制端EN，漏极同时接P8管和P9管的栅极，还接P9管的漏极；第6 PMOS管，记为P6管，该管的源极接电源电压Vdd，栅极接P9管和P8管的栅极；第7 PMOS管，记为P7管，该管的源极接P6管的漏极，该管的漏极接输入电路的Vin端，栅极接fosc；一个晶体管，记为T4管，源极接地，栅极接T3的栅极和T6的源极；一个晶体管，记为T5管，源极接T4管的漏极，而栅极接fosc，漏极和P7漏极相连；所述温度传感器的输出端fosc处的信号的时间周期用Tosc表示，Tosc与温度成近似线性关系： $T_{\mathrm{osc}}=\frac{2C(V_{M+}-V_{M-})R_s}{V_{\mathrm{TN}}}$ 其中C为充电电容值，R_s为串联的电阻值。