一种基于MOS管的温度传感器

摘要

一种基于MOS管的温度传感器，正温度系数电压产生模块中第一PMOS管的栅极连接第二PMOS管的源极和第二电阻的一端，其源极连接第二电阻的另一端并连接电源电压，其漏极连接第二PMOS管的栅极和第一NMOS管的漏极；负温度系数电压产生模块中第二NMOS管的栅极连接第一NMOS管的源极和第一电阻的一端，其源极连接第一电阻的另一端并接地，其漏极连接第一NMOS管的栅极和第二PMOS管的漏极，调节四个MOS管的宽长比，令流经第二NMOS管和第一PMOS管的电流相等，第二NMOS管的漏极输出负温度系数电压，第一PMOS管的漏极输出正温度系数电压；输出模块将正温度系数电压减去负温度系数电压的差值信号作为温度传感器的输出信号，增大了输出信号随温度变化的摆幅，提高了温度传感器的灵敏度。

权利要求

1.一种基于MOS管的温度传感器，其特征在于，包括正温度系数电压产生模块、负温度系数电压产生模块和输出模块，

所述负温度系数电压产生模块包括第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，所述正温度系数电压产生模块包括第一PMOS管、第二PMOS管和第二电阻，其中第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管均工作在亚阈值区；

第二NMOS管的栅极连接第一NMOS管的源极和第一电阻的一端，其源极连接第一电阻的另一端并接地，其漏极连接第一NMOS管的栅极和第二PMOS管的漏极；第一PMOS管的栅极连接第二PMOS管的源极和第二电阻的一端，其源极连接第二电阻的另一端并连接电源电压，其漏极连接第二PMOS管的栅极和第一NMOS管的漏极；

调节第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管的宽长比，令流经第二NMOS管的电流和流经第一PMOS管的电流相等，第二NMOS管的漏极输出负温度系数电压，第一PMOS管的漏极输出正温度系数电压；

所述输出模块用于获取所述正温度系数电压减去所述负温度系数电压的差值信号并作为所述温度传感器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于MOS管的温度传感器，其特征在于，所述输出模块包括第一模数转换器和第二模数转换器，第一模数转换器用于将所述正温度系数电压转换为数字信号，第二模数转换器用于将所述负温度系数电压转换为数字信号，所述输出模块将第一模数转换器输出的数字信号减去第二模数转换器输出的数字信号后获得所述温度传感器的输出信号。

3.根据权利要求1所述的基于MOS管的温度传感器，其特征在于，所述输出模块用于将所述正温度系数电压减去所述负温度系数电压得到差值电压，再将所述差值电压转换为数字信号后作为所述温度传感器的输出信号。

4.根据权利要求1或2所述的基于MOS管的温度传感器，其特征在于，第一电阻和第二电阻的阻值相等。

说明书

一种基于MOS管的温度传感器

技术领域

[0001] 本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及集成电路中温度传感器，具体为一种基于MOS管的低功耗温度传感器电路。

背景技术

[0002] 温度是一个基本的物理现象，它是生产过程中应用最普遍、最重要的工艺参数，无论是工农业生产还是科学研究和国防现代化，都离不开温度测量及温度传感器。随着集成
电路技术的快速发展，温度传感器广泛应用在医疗、环境监测、电路和系统控制和无线物联
网平台。对功耗低、芯片面积小、灵敏度高的温度传感器有较大需求，温度传感器集成化成
为一个重要的趋势。

[0003] 随着半导体技术不断的发展，半导体器件的尺寸越来越小，芯片上晶体管密度的提高，芯片功耗随之加大。但是功耗变大后带来以下问题，芯片的温度过热，从而造成速度
变慢和热稳定性影响，严重甚至会导致芯片烧毁。为了消除电子元器件性能在不同温度下
的漂移，在各种电子产品中都会内嵌温度传感器。

[0004] 目前，CMOS集成温度传感器的主要实现方式包括基于MOS管的温度传感器以及基于CMOS工艺下的寄生双极型晶体管(BJT)的CMOS BJT温度传感器。相较基于MOS BJT温度传
感器，基于MOS管的温度传感器中的MOS管有较低电源电压、较小的功耗，因此基于MOS管的
温度传感器被广泛应用。但现有的基于MOS管的温度传感器往往只采集一个与温度相关的
电压并从中获取温度的变化，较难提高其灵敏度。对高精度的温度传感器而言，如何将温度
传感器的灵敏度提高是本领域技术人员待解决的问题之一。

发明内容

[0005] 针对上述传统温度传感器在功耗、灵敏度、芯片面积等方面存在的问题，本发明提出了一种温度传感器，基于四个MOS管和两个电阻设计了正温度系数电压产生模块和负温
度系数产生模块，获得了与温度正相关的正温度系数电压和温度负相关的负温度系数电
压，结构简单且电路面积小，亚阈值的MOS管也降低了功耗；再利用输出模块将正温度系数
电压与负温度系数电压相减后的差值作为温度传感器的输出信号，以增大输出信号随温度
变化的幅度，使得本发明的温度传感器的输出信号能够更明显反应出温度的变化，提高了
温度传感器的灵敏度。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种基于MOS管的温度传感器，包括正温度系数电压产生模块、负温度系数电压产生模块和输出模块，

[0008] 所述负温度系数电压产生模块包括第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，所述正温度系数电压产生模块包括第一PMOS管、第二PMOS管和第二电阻，其中第一NMOS管、第二
NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管均工作在亚阈值区；

[0009] 第二NMOS管的栅极连接第一NMOS管的源极和第一电阻的一端，其源极连接第一电阻的另一端并接地，其漏极连接第一NMOS管的栅极和第二PMOS管的漏极；第一PMOS管的栅
极连接第二PMOS管的源极和第二电阻的一端，其源极连接第二电阻的另一端并连接电源电
压，其漏极连接第二PMOS管的栅极和第一NMOS管的漏极；

[0010] 调节第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管的宽长比，令流经第二NMOS管的电流和流经第一PMOS管的电流相等，第二NMOS管的漏极输出负温度系数电压，第
一PMOS管的漏极输出正温度系数电压；

[0011] 所述输出模块用于获取所述正温度系数电压减去所述负温度系数电压的差值信号并作为所述温度传感器的输出信号。

[0012] 具体的，所述输出模块包括第一模数转换器和第二模数转换器，第一模数转换器用于将所述正温度系数电压转换为数字信号，第二模数转换器用于将所述负温度系数电压
转换为数字信号，所述输出模块将第一模数转换器输出的数字信号减去第二模数转换器输
出的数字信号后获得所述温度传感器的输出信号。

[0013] 具体的，所述输出模块用于将所述正温度系数电压减去所述负温度系数电压得到差值电压，再将所述差值电压转换为数字信号后作为所述温度传感器的输出信号。

[0014] 具体的，第一电阻和第二电阻的阻值相等。

[0015] 本发明的有益效果为：本发明利用正温度系数电压和负温度系数电压的差值作为温度传感器的输出信号，增大了输出信号随温度变化的摆幅，提高了温度传感器的灵敏度；
利用四个亚阈值的MOS管和两个电阻就获得了正温度系数电压和负温度系数电压，结构简
单，降低了面积、功耗和电源电压，适用于CMOS片上系统。

附图说明

[0016] 下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方
式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组
件或结构采用相同的附图标记。

[0017] 图1为本发明所提出的一种基于MOS管的温度传感器的部分电路结构示意图。

[0018] 图2为本发明所提出的一种基于MOS管的温度传感器产生的正温度系数电压VPTAT、负温度系数电压VCTAT和差值电压VSENSOR随温度变化的曲线示意图。

具体实施方式

[0019] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0020] 本发明提出的一种基于MOS管的温度传感器，包括正温度系数电压产生模块、负温度系数电压产生模块和输出模块，其中图1给出了正温度系数电压产生模块11和负温度系
数电压产生模块12的结构示意图，如图1所示，负温度系数电压产生模块12包括第一NMOS管
M3、第二NMOS管M4和第一电阻R1，正温度系数电压产生模块11包括第一PMOS管M1、第二PMOS
管M2和第二电阻R2，第二NMOS管M4的栅极连接第一NMOS管M3的源极和第一电阻R1的一端，其
源极连接第一电阻R1的另一端并接地GND，其漏极连接第一NMOS管M3的栅极和第二PMOS管M2
的漏极；第一PMOS管M1的栅极连接第二PMOS管M2的源极和第二电阻R2的一端，其源极连接第
二电阻R2的另一端并连接电源电压VDD，其漏极连接第二PMOS管M2的栅极和第一NMOS管M3的
漏极。

[0021] 正温度系数电压产生模块11用于产生正温度系数电压VPTAT，负温度系数电压产生模块12用于产生负温度系数电压VCTAT，正温度系数电压产生模块11和负温度系数电压产生
模块12共使用6个元器件，结构简单且电路面积小；另外第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第一
PMOS管M1和第二PMOS管M2均工作在亚阈值区，降低了电路功耗。下面分析正温度系数电压产
生模块11和负温度系数电压产生模块12的工作原理。

[0022] 如图1所示，由于MOS管工作在亚阈值区，MOS管的漏电流公式如式(1.1)：

[0023]

[0024] 其中m＝1+CD/Cox，CD是沟道下的耗尽层电容，m与温度无关； μ为载流子迁移率，Cox为单位面积的栅氧化层电容，W/L为MOS管的宽长比；VT为热电压；VGS为MOS管的栅
源电压；VDS为MOS管的漏源电压；Vth为阈值电压。

[0025] 调节MOS管的宽长比，令VDS远大于mVT，则MOS管的漏电流可以近似为式(1.2)：

[0026]

[0027] 为便于推导分析，本实施例中令R1＝R2＝R，但实际电路中第一电阻的阻值R1和第二电阻R2的阻值可不相等。如图1所示，本发明提出的温度传感器电路中所有MOS管均工作
在亚阈值区，且R1＝R2＝R，对于第一PMOS管M1漏电流ID1、第二NMOS管M4漏电流ID4有：

[0028]

[0029]

[0030] 又因为流经第一PMOS管M1的电流和流经第二NMOS管M4的电流相等，令ID1＝ID4＝I，联立第一PMOS管M1漏电流ID1和第二NMOS管M4漏电流ID4表达式可以得到式(1.5)：

[0031]

[0032] 第一NMOS管M3的漏电流公式为：

[0033]

[0034] 将式(1.5)带入式(1.6)即可得到

[0035]

[0036] 因为第一NMOS管M3和第二NMOS管M4都是NMOS管，近似m3＝m4，则式(1.7)可以化简为式(1.8)：

[0037]

[0038] 将式(1.8)VCTAT的表达式分为两部分，第一项为只与Vth有关的VCTAT(Vth)；第二项为与VT和β相关，命名为VCTAT(VT)。第一项可表示为式(1.9)所示：

[0039] VCTAT(Vth)＝aT+b,a<0                        (1.9)

[0040] 通过调节MOS管宽长比，可忽略式(1.8)中VCTAT表达式中第二项随温度变化的影响，使得主要由第一项决定温度系数。本发明将式(1.8)中VCTAT表达式中第一项表示为式
(1.9)所示的线性函数的形式，其中a、b是与温度无关的常数。

[0041] 同理可得到正温度系数电压VPTAT表达式：

[0042]

[0043] 其中VDD为电源电压。

[0044] 获得了随待测温度的增加而增加的正温度系数电压VPTAT、以及随待测温度的增加而减小的负温度系数电压VCTAT后，利用输出模块进行处理，将正温度系数电压减去负温度
系数电压获得差值信号并作为温度传感器的输出信号。正温度系数电压VPTAT和负温度系数
电压VCTAT都是模拟信号，可利用输出模块先将正温度系数电压VPTAT和负温度系数电压VCTAT
分别转换成数字信号后再相减得到温度传感器的输出信号，也可以直接将正温度系数电压
VPTAT和负温度系数电压VCTAT相减获得差值电压VSENSOR再转换成数字信号得到温度传感器的
输出信号。

[0045] 差值电压VSENSOR的表达式为：

[0046] VSENSOR＝VPTAT‑VCTAT                         (1.11)

[0047] 如图2所示给出了正温度系数电压VPTAT、负温度系数电压VCTAT、差值电压VSENSOR随温度变化的曲线，可以看出，差值电压VSENSOR与待测温度成正比，且差值电压VSENSOR相较于正温
度系数电压VPTAT和负温度系数电压VCTAT具有更大的随温度变化的幅值，本发明通过获得正
温度系数电压VPTAT和负温度系数电压VCTAT并利用其差值进行温度检测，相比传统的只利用
一个与温度相关的电压进行温度检测而言，增大了所获得的随温度变化电压的幅值，更明
显显示出温度的变化，提高了温度传感器的灵敏度。

[0048] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。