一种电阻式VCO数字温度传感器电路

作者简介：储敬雅（1995—），女，硕士，主要从事集成电路学习。

0 引言

近年来，半导体工艺的发展十分迅速，加快集成电路发展已成为许多国家的发展策略。在芯片制造产业，当工艺尺寸缩小时，集成电路的集成度却跟随摩尔定律成倍增大，集成电路的复杂度也呈指数增长，造成电路对环境变量的依赖性越来越高^[1]。电子设备的发展离不开传感器支持，电子设备的要求不断提升，迫切需要传感器技术的进步。温度传感器对很多电子设备的正常工作至关重要，因此，进行温度传感器的研究越来越有价值。

为了提高温度传感器的性能，提出了许多想法，主要是温度感温单元的选择上。反相器与温度的特殊关系为研究数字温度传感器提供了思路，通常反向器的门延时会随着温度发生变化，于是有了利用反向器门延时设计的时域温度传感器^[2]。环形振荡器的建构简单，其核心单元是反相器，环形振荡器作为温度传感器的温度敏感部分。相比仅基于延时单元的温度传感器，环形振荡器构成的温度传感的优点是面积小，由于其需要较少的延时模块，而且能够重复利用相关单元^[3]。但是常用的环形振荡输出的振荡频率较高，因此设计时会用分频器分频后再处理信号，这样可以在电路设计方面，对精度差和误差进行权衡。

如图1 为一个基于单环全数字的温度传感器^[5]。主要依赖于环形振荡器输出频率与温度线性相关，同时需要额外的参考时钟进行度量，通常采用分频器降低频率，计数器等处理后输出数字信号量^[4]。虽然这种基于单环的温度传感器结构比较简单，但是为了提高精度会对温度校正分段（一般大于5 段），增加了电路的硬件面积和开销。该电路的核心单元包括4 个部分：环形振荡器VCO、分频器、计数器和温度校正。当振荡器VCO 输出一个宽度与温度呈正相关脉冲，但是VCO 输出频率太大，所以采用分频器降低频率，之后通过计数器测量信号的频率，最后通过温度校正电路将得到的数字信号转换为检测的绝对温度。

本文基于数字电路采用电阻构成的VCO 进行传感器的设计，计算出两条不同延时链的周期之差，而两条链的周期之差只与电阻有关，电阻的温度特性线性相关，所以本设计与温度线性相关。主要思路是为了提高温度传感器的指标，包括精度和线性度，在基本振荡器延时链引入电阻，另外此方法可以使用两点校正原理对输出温度结果进行校正，相比传统的数字温度传感器的精度和线性度结果，本设计都有很大改善。

1 电路结构

图2 为本设计电阻式VCO 的数字温度传感器电路结构图，两个环形振荡器VCO1 和VCO2 产生与温度有关的信号，通过分频器、计数器、减法器计算出两个周期信号Tclk1 和Tclk2 的周期差值Tclk2-Tclk1，最后经温度校正电路校正温度后输出T。

其中环形振荡器VCO1 是电阻式振荡器，如图3。核心单元为反相器和电阻构成的延时单元，最后一个延时单元与第1 个延时单元相连，组成的闭环回路构成电阻式振荡器，输出信号为clk1。

另外环形振荡器VCO2 是基本振荡器，核心单元为反相器，首尾相连组成闭环回路构成振荡器，输出信号clk2。

本设计VCO 用3 个CMOS 反相器延时单元构成。VCO1 由CMOS 反相器和电阻构成，其中clk1 是VCO1的输出时钟信号，VCO2 仅仅由CMOS 反相器构成，其中clk2 是VCO2 的输出时钟信号。

CMOS 反相器串联金属电阻R_poly的延迟时间为：(R_L+R_poly)CL，因此VCO1 的周期近似为：

经过M 分频器（M 是个确定的数值）之后，M 分频器可以将输入信号周期放大M 倍，使得输出信号周期变为M·Tclk1 和M·Tclk2。

经过计数器之后，得到：

其中，Tref 为参考时钟周期，Nref 为参考时钟计数数值，N1 为Tclk1 的计数数值，N2 为Tclk1 的计数数值。

经过减法器运算得出二者周期差值，如下式：

由于金属电阻Rpoly 与温度T 存在如下关系：

算式代入后运算得出Tclk 与温度T 具有以下关系：

所以Tclk 与温度T 呈线性关系，进一步可以推理获得两点校正算法原理，两点校正指的是当公式转化成y=kx+b 形式，只要得到两点(y1,x1)、(y2,x2)，便能计算出两个数k 和b, 那么便可以得到y=kx+b 这条曲线，任意x 都能有唯一的y，而温度与周期差值关系为：

其中，相当于一个系数，而相当于另外一个系数，校正阶段通过算出的值得到Tclk 的大小，T 就是当时测试的温度。测试两次便可计算出两个系数，那么就可以通过该校正算法反推出温度，这样就会降低电路的面积和开销^[7]。

2 仿真结果

为了验证本电路设计的有效性，在130 nm CMOS工艺下进行设计仿真。结果如图5 所示。通过电阻式VCO 数字温度传感器和传统数字温度传感器的输出温度与实际温度变化仿真对比，可以看出本设计线性度更优。通过图6 所示误差仿真对比，可以看出本设计的温度传感器误差在±0.5 ℃左右，误差范围约1 ℃，而传统数字温度传感器的误差范围为1.5 ℃，相比于传统数字温度传感器，电阻式VCO 的数字温度传感器在线性度、精度方面有所改善。

图5 本设计温度传感器和传统数字温度传感器的输出温度与实际温度变化仿真

图6 本设计数字温度传感器和传统数字温度传感器的误差仿真

3 结束语

经过仿真验证，在改善传统数字温度传感器的精度和线性度方面，本文提出的一种电阻式VCO 的数字温度传感器可以满足。

参考文献：

[1] 艾伦.CMOS模拟集成电路设计[M].冯军,李智群,译.北京:电子工业出版社,2011:546-550.

[2] 李梦雨.时间域数字温度传感器的设计与集成方法研究[D].成都:电子科技大学,2018.

[3] 冯晓龙.片上数字温度传感器的研究与设计[D].成都:电子科技大学,2017.

[4] 李梦雨.时间域数字温度传感器的设计与集成方法研究[D].成都:电子科技大学,2018.

[5] LI J,ZHOU P,NING N.A 0.1℃ accuracy ICO Temperature Sensor with Segmentation Algorithm[J].Electronics Letters,2018, 54(11):686-687.

[6] YANG K,DONG Q,JUNG W,et al.9.2 A 0.6nJ 0.22/+0.19°Cinaccuracy temperature sensor using exponential subthreshold oscillation dependence[C].ISSCC, IEEE,2017.

[7] 李靖,储敬雅,田明,等.一种基于电阻式振荡器的数字温度传感器电路:中国,CN110995159A[P],2020-04-10.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年5月期）