外文翻译-一种CMOS智能温度传感器从55℃到125℃为0.1℃误差.doc

1、附录A 译文一种CMOS智能温度传感器从55到125为0.1误差科菲马金瓦米希摘要：智能温度传感器在0.7微米CMOS是准确的。在从55到125的传感器的使用范围的晶体管测量温度是错误的。错误造成，在读出电路中减少到0.01 级。这是通过使用动态元件匹配，切碎实现独立的PTAT偏置电路，以及一个低偏移的二阶，结合切碎和相关双采样。基极-发射极电压特性的传播，在PNP晶体管补偿的基础上，通过微调在一个温度校准，获得高微调分辨率通过使用一个DAC精细调整偏置电流的双极型晶体管。关键词：动态元素匹配；偏移取消；转换；智能传感器；温度传感器1、引言 温度传感器被广泛应用于测量仪表和控制系统。在许多应用

2、中这将是具有吸引力的，使用温度传感器在数字产生一个很容易解释的温度读数格式。这种“聪明”的温度传感器结合了传感器和接口电子设备在一个芯片上，并优选制造一个低成本的标准CMOS工艺。 然而，今天大多数的温度传感器的应用是传统的传感器，例如热敏电阻或铂电阻需要单独的读出电路。在第二部分中，有限的使用智能传感器，可以归结为他们的限制操作范围（通常限于军事范围从-55到125）。更重要的是，它们与传统的传感器相比是相对不准确的。一个典型的不准确之处提到的温度范围为2，同时不准确。可以通过以下方式获得，例如，一类的铂在该范围内的电阻是0.5，更高的精度可在多个温度下得到校准，但是这会使CMOS智能温度撤

3、消太多的成本。 大多数CMOS智能温度传感器基于温度寄生双极型晶体管的特性。以前的设计采用动态偏移取消技术，如嵌套斩波和自动调零，以减少由于温度误差的偏移量CMOS放大器的在读出电路中使用。由于特征使用双极型晶体管不是完全线性的，曲率校正技术已被用于改善线性度。在本文中，CMOS智能温度传感器达到不准确只有0.1对军队的范围内。减少所造成的读出电路中的所有错误到0.01水平。此外偏移取消曲率校正，精密偏置技术的使用，以及动态元件匹配是用来降低失配相关的错误。其结果是，在传播的特性的双极性晶体管是唯一显着的误差源传感器。在单一温度下的校准是足够用来确定这个错误，并通过修剪纠正。由于传播基本上只有

4、一个自由度，在整个工作范围内这种校正是有效的。2、测量原理为了产生一个数字温度读数，温度依赖信号的参考信号进行比较。虽然几乎每个装置具有随温度变化的特性，双极型晶体管是特别适合用于产生信号的组合。它们可以被用来同时生成准确地与绝对温度成正比的电压是（PTAT）和一个与温度无关的带隙基准电压。在CMOS中，基片的双极型晶体管，可用于此目的。 传感器的工作原理图如图所1示。二极管连接的PNP晶体管基板被用于产生两个电压。这些电压是结合了产生上述的的PTAT和参考电压，它被转换为数字温度读数，用模拟到数字转换器（ADC）。 图1 温度传感器的工作原理 图2传感器的关键电压的温度依赖性 双极型晶体管的

5、基极 发射极电压在其正向有源区可以说是由下面的公式的对数方程。 （1）玻尔兹曼常数是电子电荷，绝对温度，晶体管的饱和电流，是它的集电极电流，由偏置电路。在PNP晶体管的基板，被偏置的情况下通过它的发射极，由此产生的集电极电流是受晶体管的电流增益。这种效应将被忽略，其结果是，强有力的饱和度的温度依赖性的电流，基极发射极电压具有负温度系数约。确切的值取决于绝对值。外推至0K的值是大约1.2 V，因为它与硅的带隙能量。这个电压独立的绝对值之和。它可以很容易的差异表明，在基极-发射极两个双极型晶体管之间的电压操作在一个集电极电流比。 （2）这种差异只取决于该比率，使得一个准确的测量温度。但必须注意，以

6、确保这两个晶体管保持在相同的工作区。在我们的设计中，电流比被使用时，产生的温度系数。可以用作一个带隙基准的参考电压一个ADC数字化设计。本次添加的放大版本，所产生的参考，以便获得与温度无关的电压。 （3）对于所提的温度系数，增益是必需的。一个ADC转换的比例，并能被用来获得一个数字温度读数的系数和的选择应使其取得以摄氏度为单位的数字输出。 （4）校正过程传播虽然是不是敏感的处理蔓延，取决于饱和电流和的绝对值，因此，偏置电流的扩散是在IC的变化的过程。假设这些电流的扩散不显着改变其温度依赖性，由此产生的。可以写成式5。 （5） 其中的误差是在收集器中的相对误差，并饱和电流。传感器提供的所有其他错

7、误是可以忽略不计，这PTAT错误可以由在一个校准的温度的错误，然后可以通过微调校正。这项工作应以这样一种方式，所得到的校正PTAT，因此空PTAT误差在整个操作温度范围内。PTAT修正为可以建立修剪晶体管的发射极面积，它的偏置电流，或通过添加一个可编程PTAT电压。我们选择修剪偏置目前使用一个数字-模拟转换器（DAC），以获得高的微调分辨率。 为了使所提到的微调方案实行，所有的错误PTAT蔓延以外的来源被忽略不计。系统误差导致非线性，可以通过引入一个补偿非线性校正的读出电路中，随机误差需要减少由设计到0.01级，得到整体0.1。不准确要找到可以容忍的随机误差，灵敏度传感器的输出的变化是计算出来

8、的。此灵敏度最大的温度在其下端范围内。因此，温度误差0.01意味着最大30.同样，最大电压误差随机电压误差少，这意味着，所有的电路错误，如输入参考偏移的读出电子设备，将减少到这些水平。图3 常温下的偏置电流的函数的参考电压V的模拟温度图到目前为止，它已被认为是一个线性函数的温度。然而，在实践中，这种非线性的大小，将被称为曲率，取决于饱和度对温度的依赖性电流的集电极电流。对于一个PTAT收藏家电流，它可以写为 （5）温度指数的解析表达式饱和电流是一个参考温度。由于这个曲率是存在于参考电压，它的结果在上面输出，一个二次非线性逆传感器。它显示了温度依赖性和由此产生的非线性的输出，无论是用在常温下的偏

9、置电流作为一个参数。偏置电流为1 A，是一个传统的具有零温度系数的带隙基准电压，在室温和一个小的曲率平方。图4 框图的温度传感器如果偏置电流增加时，变成“过补偿”带隙参考电压，具有正温度系数。图3表明，相关联的非线性在输出后减小。最小的非线性约A. 4和5之间的偏置电流达到0.1这可以解释如下。的线性温度依赖性产生在输出的非线性，因为它出现在，当选择适当的中的分母。温度系数的基准，这种非线性由于曲率的非线性补偿。因此，曲率可以在很大程度上消除了使用参考电压与一个小的正温度系数。3 框图图4示出了该传感器的框图。双极核心产生的电压。这些被输入到一个调制器，其产生的比特流的平均值的比值等于总和。在

10、调制器的详细信息，一个特殊的偏置电路是用来提供精确的偏置电流到双极型芯。该调制器的由环路滤波器和时钟比较器组成。为简单起见，只有一阶环路滤波器所示。在实际的调制器，一个二阶滤波器使用。一切时钟周期，比较器产生的比特流中的一个位根据环路滤波器的输出的极性。该反馈布置，以便驱动的积分器输出为零。如果在一个给定的时钟周期的比特流是集成，同时，如果比特流是一个集成。如在调制器的反馈的结果输入到平均积分为零。换句话说，加入电荷除去由电荷是平衡的。如果平均表示为比特流价值，这个电荷平衡可表示为因此，用一个简单的电荷平衡方案，数字表示的比例中得到的。 连续时间的实现电荷平衡计划。在这项工作中，我们选择的一个

11、开关电容实现。因为这有利于执行的各种偏移取消和动态元件匹配技术需要满足0.1不准确的目标。调制器的前端的简化电路图。积分使用相关消除在运算放大器的偏移量，并噪声和中提出的设计是类似的。集成工作分两个阶段进行。现在，不使用7个电容器。当运算放大器在单位增益切换，被采样的电压相对于电容运算放大器的虚地。在第二阶段中，切换积分电容在反馈路径中。 图5 调制器的方框图 图6 前端的简化电路图和调制器图 这表明，在运算放大器的虚拟缓慢变化的信号地面，如它的偏移量和噪声被淘汰。该改变的变化是成比例的。该调制器的输入所产生的两个基板双极晶体管和。这些晶体管的偏置电流确定积分器的基础上通过一个开关网络相位和的

12、值的比特流。如果进行整合。为了实现这一目标，本电流被引导到第一阶段期间，而5倍较大的电流被引导到。第一阶段期间，电流被交换。因此，在积分器的输出的变化成正比到。需要注意的是之间的不匹配。这种变化不会影响精度。如果进行整合。在第一阶段，短路到地，而偏置电流。在第一阶段，短路和电流切换到。然后在积分器的输出是成正比的，因此，平均的基极 -发射极这两个晶体管的电压被使用。可以实现在两种方法中的该积分器的增益。一种方法是使用较大的采样电容整合。或者，也可以是集成多个次。我们会结合使用这些技术。4、偏置电路4.1动态匹配流动比率 不匹配会限制1:5流动比率的准确性图6，因此，目前的比例加以限制温度精确到

13、0.011误差产生的不匹配0.01。这种准确的匹配，不能指望单单从布局严谨。因此，使用动态元素匹配平均不匹配。图7显示了已实施。产生的电流源提供的电流的副本偏置电路。这些电流源名义上的每一个。使用一组开关，每个电流可以被定向到或。其中一个被切换到一个晶体管，提供单位在1:5比例的电流，而其余的电流被切换到另一个晶体管。在所得的误差流动比率取决于单元电流之间的不匹配源和其他电流源的平均值的。通过交替在连续的周期中的单元电流源调制器，失配误差平均。所需的平均是由积分调制器。4.2 电流微调 偏置电流用于产生具有被修剪，以便补偿晶体管的饱和面值蔓延电流和偏置电流本身的蔓延。而等效微调分辨率传感器的输

14、出的顺序为0.01，温度误差由于传播几度。这意味着微调范围约10，传统的微调技术包括调整发射极区域或使用缩放切换的二进制的偏置电流晶体管或偏置电流源。鉴于大要求范围内，这种技术会变得非常复杂，并且需要一个大的芯片面积。相反，我们使用一个紧凑的修剪偏置。图8显示了已实施。该相同的六个PMOS电流源，用于产生电流1:5比率是用来产生的。这可能是因为不再需要在同一时间。第五源用于粗微调，开启或关闭的基础上的数字输入。第六源用于微调，调制的比特流的一个数字调制器。图7电流源的配置 用于编程的电流的平均值。所需的平均发生在模拟调制器的积分器。一个8位的一阶数字调制器是用来取得分辨率，修剪至0.01，它对

15、应上面的输出的传感器。这种紧凑的实施调制器是一个8位的累加器的进位位是用于生成的比特流。总微调范围0-6，是足以弥补实际蔓延和。在实施中，电流源，其输出是不用于连接到一个额外的二极管连接的晶体管如图8所示，从而限制在其开关的瞬态输出。 图8可调整的偏置电流的电流源的配置4.3 选择偏置电流型 虽然传播中的偏置电流的绝对值是不能容忍的，因为它可以被修剪，以及其他在偏置误差电流等的变化的电源电压和扩散的其温度依赖性，应尽量减少。一个偏置电流一般是来自于一个偏置电压，用一个电阻器。在基极-发射极电压的差值是一个很好的候选的偏置电压，因为，正如前面所讨论的，它只依赖于一个流动比率。使用一个附加的优点这样的PTAT偏置电压，产生的温度依赖性的偏置电流会降低的曲率相比以，例如，一个恒定的偏置电压。