一種電阻式VCO數字溫度傳感器電路

作者簡介：儲敬雅（1995—），女，碩士，主要從事集成電路學習。

0   引言

近年來，半導體工藝的發展十分迅速，加快集成電路發展已成為許多國家的發展策略。在芯片制造產業，當工藝尺寸縮小時，集成電路的集成度卻跟隨摩爾定律成倍增大，集成電路的復雜度也呈指數增長，造成電路對環境變量的依賴性越來越高^[1]。電子設備的發展離不開傳感器支持，電子設備的要求不斷提升，迫切需要傳感器技術的進步。溫度傳感器對很多電子設備的正常工作至關重要，因此，進行溫度傳感器的研究越來越有價值。

為了提高溫度傳感器的性能，提出了許多想法，主要是溫度感溫單元的選擇上。反相器與溫度的特殊關系為研究數字溫度傳感器提供了思路，通常反向器的門延時會隨著溫度發生變化，于是有了利用反向器門延時設計的時域溫度傳感器^[2]。環形振蕩器的建構簡單，其核心單元是反相器，環形振蕩器作為溫度傳感器的溫度敏感部分。相比僅基于延時單元的溫度傳感器，環形振蕩器構成的溫度傳感的優點是面積小，由于其需要較少的延時模塊，而且能夠重復利用相關單元^[3]。但是常用的環形振蕩輸出的振蕩頻率較高，因此設計時會用分頻器分頻后再處理信號，這樣可以在電路設計方面，對精度差和誤差進行權衡。

如圖1 為一個基于單環全數字的溫度傳感器^[5]。主要依賴于環形振蕩器輸出頻率與溫度線性相關，同時需要額外的參考時鐘進行度量，通常采用分頻器降低頻率，計數器等處理后輸出數字信號量^[4]。雖然這種基于單環的溫度傳感器結構比較簡單，但是為了提高精度會對溫度校正分段（一般大于5 段），增加了電路的硬件面積和開銷。該電路的核心單元包括4 個部分：環形振蕩器VCO、分頻器、計數器和溫度校正。當振蕩器VCO 輸出一個寬度與溫度呈正相關脈沖，但是VCO 輸出頻率太大，所以采用分頻器降低頻率，之后通過計數器測量信號的頻率，最后通過溫度校正電路將得到的數字信號轉換為檢測的絕對溫度。

本文基于數字電路采用電阻構成的VCO 進行傳感器的設計，計算出兩條不同延時鏈的周期之差，而兩條鏈的周期之差只與電阻有關，電阻的溫度特性線性相關，所以本設計與溫度線性相關。主要思路是為了提高溫度傳感器的指標，包括精度和線性度，在基本振蕩器延時鏈引入電阻，另外此方法可以使用兩點校正原理對輸出溫度結果進行校正，相比傳統的數字溫度傳感器的精度和線性度結果，本設計都有很大改善。

1   電路結構

圖2 為本設計電阻式VCO 的數字溫度傳感器電路結構圖，兩個環形振蕩器VCO1 和VCO2 產生與溫度有關的信號，通過分頻器、計數器、減法器計算出兩個周期信號Tclk1 和Tclk2 的周期差值Tclk2-Tclk1，最后經溫度校正電路校正溫度后輸出T。

其中環形振蕩器VCO1 是電阻式振蕩器，如圖3。核心單元為反相器和電阻構成的延時單元，最后一個延時單元與第1 個延時單元相連，組成的閉環回路構成電阻式振蕩器，輸出信號為clk1。

另外環形振蕩器VCO2 是基本振蕩器，核心單元為反相器，首尾相連組成閉環回路構成振蕩器，輸出信號clk2。

本設計VCO 用3 個CMOS 反相器延時單元構成。VCO1 由CMOS 反相器和電阻構成，其中clk1 是VCO1的輸出時鐘信號，VCO2 僅僅由CMOS 反相器構成，其中clk2 是VCO2 的輸出時鐘信號。

CMOS 反相器串聯金屬電阻R_poly 的延遲時間為：(R_L+R_poly)CL，因此VCO1 的周期近似為：

經過M 分頻器（M 是個確定的數值）之后，M 分頻器可以將輸入信號周期放大M 倍，使得輸出信號周期變為M·Tclk1 和M·Tclk2。

經過計數器之后，得到：

其中，Tref 為參考時鐘周期，Nref 為參考時鐘計數數值，N1 為Tclk1 的計數數值，N2 為Tclk1 的計數數值。

經過減法器運算得出二者周期差值，如下式：

由于金屬電阻Rpoly 與溫度T 存在如下關系：

算式代入后運算得出Tclk 與溫度T 具有以下關系：

所以Tclk 與溫度T 呈線性關系，進一步可以推理獲得兩點校正算法原理，兩點校正指的是當公式轉化成y=kx+b 形式，只要得到兩點(y1,x1)、(y2,x2)，便能計算出兩個數k 和b, 那么便可以得到y=kx+b 這條曲線，任意x 都能有唯一的y，而溫度與周期差值關系為：

其中，相當于一個系數，而相當于另外一個系數，校正階段通過算出的值得到Tclk 的大小，T 就是當時測試的溫度。測試兩次便可計算出兩個系數，那么就可以通過該校正算法反推出溫度，這樣就會降低電路的面積和開銷^[7]。

2   仿真結果

為了驗證本電路設計的有效性，在130 nm CMOS工藝下進行設計仿真。結果如圖5 所示。通過電阻式VCO 數字溫度傳感器和傳統數字溫度傳感器的輸出溫度與實際溫度變化仿真對比，可以看出本設計線性度更優。通過圖6 所示誤差仿真對比，可以看出本設計的溫度傳感器誤差在±0.5 ℃左右，誤差范圍約1 ℃，而傳統數字溫度傳感器的誤差范圍為1.5 ℃，相比于傳統數字溫度傳感器，電阻式VCO 的數字溫度傳感器在線性度、精度方面有所改善。

圖5 本設計溫度傳感器和傳統數字溫度傳感器的輸出溫度與實際溫度變化仿真

圖6 本設計數字溫度傳感器和傳統數字溫度傳感器的誤差仿真

3   結束語

經過仿真驗證，在改善傳統數字溫度傳感器的精度和線性度方面，本文提出的一種電阻式VCO 的數字溫度傳感器可以滿足。

參考文獻：

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[3] 馮曉龍.片上數字溫度傳感器的研究與設計[D].成都:電子科技大學,2017.

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[7] 李靖,儲敬雅,田明,等.一種基于電阻式振蕩器的數字溫度傳感器電路:中國,CN110995159A[P],2020-04-10.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年5月期）