0 引言

    傳統(tǒng)的溫度傳感器設(shè)計(jì)通常先將溫度轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再通過(guò)ADC（Analog-to-Digital Converter）得到數(shù)字信號(hào)^[1]。但隨著芯片熱管理、物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)于溫度傳感器的功耗、面積和數(shù)字電路的兼容性等方面都提出了較高的要求。所以越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者開(kāi)始向著數(shù)字化的方向探究溫度傳感器的可綜合性和高集成度。時(shí)域溫度傳感器具有面積小、功耗低、容易使用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注^[2-4]。

    目前有許多時(shí)域溫度傳感器的研究成果，如文獻(xiàn)[5]中所提出的基于單條延時(shí)鏈的時(shí)域溫度傳感器以及文獻(xiàn)[6]中基于雙延時(shí)鏈的時(shí)域溫度傳感器。它們都具有較簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量原理，但需要比較多的反相器來(lái)組成很長(zhǎng)的延遲鏈以滿(mǎn)足測(cè)量范圍和精度的需求。另一類(lèi)基于環(huán)形振蕩器的時(shí)域溫度傳感器，如文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]中提出了基于單個(gè)環(huán)形振蕩器的全數(shù)字溫度傳感器，這一類(lèi)傳感器在測(cè)量80℃以下的溫度時(shí)精度較高。文獻(xiàn)[4]中提出了兩個(gè)對(duì)溫度敏感度不同的環(huán)形振蕩器的傳感方法，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)環(huán)形振蕩器晶體管尺寸并取它們的頻率比值來(lái)消除電源電壓和工藝參數(shù)對(duì)電路的影響，從而減小溫度測(cè)量誤差。

    在處理器熱管理等應(yīng)用場(chǎng)景中，通常50℃以上高溫段的準(zhǔn)確性更為重要，一般的溫度傳感器對(duì)此考慮得較少。本文基于參考文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的電路結(jié)構(gòu)，針對(duì)原有的傳感部分溫度系數(shù)較小以及TDC溫漂問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，以使電路滿(mǎn)足在重點(diǎn)監(jiān)控的溫度范圍內(nèi)精度較高這一特定的應(yīng)用需求。

1 溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu)及原理

    時(shí)域溫度傳感器首先需要將溫度信息轉(zhuǎn)換為時(shí)間信息，環(huán)形振蕩器是將溫度轉(zhuǎn)換為時(shí)域變量的一種方式。根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，反相器的延時(shí)與溫度有類(lèi)線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time-to-Digital Converter，TDC）對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量，即可將溫度最終轉(zhuǎn)化為數(shù)字碼字。為進(jìn)一步提升準(zhǔn)確性，通常還需要對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)加以校準(zhǔn)。除此之外，對(duì)電源電壓的校準(zhǔn)還可以通過(guò)多次測(cè)量求方差來(lái)實(shí)現(xiàn)?；趲囟妊a(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)換器的時(shí)域溫度傳感器的主要電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 傳感電路的分析與改進(jìn)

    本設(shè)計(jì)的傳感部分主要利用溫度與反相器延時(shí)的關(guān)系將溫度轉(zhuǎn)化為與之有關(guān)的時(shí)間變量脈沖寬度pulse_width。其電路原理圖如圖2所示。

    由文獻(xiàn)[4]可知，反相器的延時(shí)與溫度存在以下定量關(guān)系：

    其中W、L分別為構(gòu)成晶體管的寬和長(zhǎng)；C_L和C_ox分別為負(fù)載電容和單位面積的氧化層電容；μ為電子(或空穴)的遷移率；V_DD和V_th分別為電源電壓和閾值電壓。從式中可以看出反相器的延遲和多個(gè)參數(shù)有關(guān)，在這些參數(shù)中遷移率μ和閾值電壓V_th是受到溫度影響的。晶體管寬長(zhǎng)比的改變同時(shí)引起閾值電壓和負(fù)載電容的改變，因此選取合適的晶體管尺寸對(duì)傳感部分尤為重要。相比于遷移率，溫度通過(guò)影響閾值電壓而對(duì)反相器延遲造成的變化較小^[7]且基本呈線(xiàn)性關(guān)系^[8]。因此在本文所關(guān)心的50 ℃～100 ℃這一測(cè)量范圍內(nèi)，可以只關(guān)注溫度對(duì)于遷移率的影響。遷移率具有負(fù)溫度系數(shù)，其具體關(guān)系如下：

其中q為電子（或空穴）的帶電量；m為有效質(zhì)量；T為溫度；N_i為電離雜質(zhì)濃度；A和B是相對(duì)系數(shù)。由式(1)可知：反相器延時(shí)與遷移率呈反比D∝1/μ；由式(2)可知：遷移率與溫度呈類(lèi)反比例關(guān)系μ∝1/T^a（此處a為接近于1的常數(shù)^[4]），由文獻(xiàn)[9]可知，環(huán)形振蕩器的頻率F=1/(2ND)，因此振蕩環(huán)的頻率對(duì)溫度的敏感度與晶體管的長(zhǎng)寬比呈反比。振蕩環(huán)的振蕩頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致功耗較大從而引起較大的自熱效應(yīng)，因此干擾了對(duì)實(shí)際溫度的測(cè)量。利用蒙特卡羅仿真方法最終得到PMOS合理的寬長(zhǎng)比為L(zhǎng)/W=0.3 μ/0.24 μ，由于電子遷移率約為空穴的2.5倍，為使反相器的上升時(shí)間和下降時(shí)間均衡，使NMOS的寬長(zhǎng)比為L(zhǎng)/W=0.3 μ/0.12 μ。綜合考慮振蕩頻率以及溫度系數(shù)，最終選定由31級(jí)反相器構(gòu)成傳感部分的環(huán)形振蕩器。

    利用參考文獻(xiàn)[2]中的脈沖寬度產(chǎn)生器可以得到帶有溫度信息的時(shí)域變量。根據(jù)式(1)、式(2)可知，該脈沖的寬度pulse_width即為與溫度相關(guān)的時(shí)間變量。由式(1)、式(2)中反相器與溫度的定量分析可知，該脈沖的脈沖寬度在所測(cè)溫度范圍內(nèi)與溫度是呈類(lèi)線(xiàn)性關(guān)系的。反相器首尾串聯(lián)組成的振蕩器的振蕩頻率與溫度的非線(xiàn)性關(guān)系是引起傳感器測(cè)量誤差的主要原因，本設(shè)計(jì)通過(guò)增大振蕩環(huán)頻率的溫度系數(shù)來(lái)改善這一問(wèn)題。

1.2 時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分析與改進(jìn)

    TDC的環(huán)形振蕩器是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。理想情況下，TDC應(yīng)與溫度完全無(wú)關(guān)從而減少量化誤差。但直接由標(biāo)準(zhǔn)門(mén)級(jí)單元組成的TDC^[2]存在兩個(gè)問(wèn)題——一是振蕩環(huán)的頻率非常高，二是TDC振蕩本身對(duì)溫度比較敏感。過(guò)高的振蕩頻率導(dǎo)致振蕩環(huán)自熱較高，從而通過(guò)溫度的變化影響了自身精度。如果直接改變TDC振蕩延時(shí)單元的尺寸來(lái)降低振蕩環(huán)頻率，則會(huì)造成溫度系數(shù)過(guò)大從而增大TDC的量化誤差。直接由標(biāo)準(zhǔn)與門(mén)單元構(gòu)成的TDC，在大于50 ℃高溫范圍內(nèi)由于以上原因會(huì)導(dǎo)致誤差過(guò)大不可接受。所以這種TDC只適用在0 ℃～60 ℃[2]的較低溫度范圍內(nèi)使用。這是大多現(xiàn)有的相關(guān)論文存在的不足之處^[2-3]。如何改進(jìn)這一缺陷使之更適宜用于50～100 ℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量是本設(shè)計(jì)的改進(jìn)的主要目標(biāo)。

    在1.1節(jié)中已經(jīng)說(shuō)明了振蕩環(huán)的振蕩頻率與反相器的級(jí)數(shù)以及每一級(jí)反相器的延時(shí)有關(guān)，當(dāng)反相器的級(jí)數(shù)越少時(shí)，振蕩環(huán)的頻率越大。本設(shè)計(jì)中，考慮到電路的自熱問(wèn)題，通常希望振蕩環(huán)的頻率盡量低。當(dāng)其他條件不變時(shí)，可以通過(guò)增大反相器的級(jí)數(shù)來(lái)降低振蕩環(huán)的頻率。由于標(biāo)準(zhǔn)單元延時(shí)很小，想要得到能夠被計(jì)數(shù)器采樣到的振蕩頻率，需要數(shù)百個(gè)反相器，這樣顯然是不合理的。另一種改變振蕩器頻率的方式是改變反相器的延時(shí)D，上面已經(jīng)說(shuō)到，這將改變振蕩環(huán)的溫度系數(shù)，從而產(chǎn)生溫漂。所以為了減小溫漂，設(shè)計(jì)引入了能夠抵消反相器溫度系數(shù)的電流鏡單元。

    本設(shè)計(jì)中的TDC采用了和參考文獻(xiàn)[2]相似的結(jié)構(gòu)，如圖1中虛線(xiàn)框內(nèi)所示為T(mén)DC的原理圖。8比特的粗略計(jì)數(shù)器對(duì)振蕩器進(jìn)行計(jì)數(shù)[12:5]。當(dāng)pulse_width的下降沿到來(lái)時(shí)，粗略計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)不足一個(gè)計(jì)數(shù)周期的部分被精確編碼器追蹤并譯碼成一個(gè)5比特的碼字。最后量化的結(jié)果為粗略計(jì)數(shù)器與精確編碼器兩者的輸出組合。

    本文的基本思路是利用電流鏡的溫度補(bǔ)償作用來(lái)構(gòu)造TDC的振蕩環(huán)以消除監(jiān)測(cè)溫度范圍內(nèi)TDC的溫漂。電流鏡的工作原理是補(bǔ)償漏電流以使晶體管的充放電時(shí)間改變，從而改變延時(shí)單元的延時(shí)。含有電流鏡的TDC振蕩環(huán)如圖3所示，其仿真結(jié)果如圖4所示。由仿真結(jié)果可知，本設(shè)計(jì)的電流鏡延時(shí)具有負(fù)溫度系數(shù)，而反相器的延時(shí)在測(cè)量范圍內(nèi)具有正溫度系數(shù)。通過(guò)蒙特卡羅仿真結(jié)果可以合理分配電流鏡延時(shí)單元與反相器的數(shù)量，使其在所監(jiān)測(cè)的溫度范圍50 ℃～100 ℃內(nèi)具有較小的溫漂且振蕩頻率可接受的理想結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，這種結(jié)構(gòu)的振蕩環(huán)可根據(jù)具體應(yīng)用并通過(guò)改變反相器尺寸以及電流鏡數(shù)量來(lái)調(diào)整溫漂接近于0的溫度范圍以滿(mǎn)足應(yīng)用的需求。與此同時(shí)，該結(jié)構(gòu)的振蕩頻率與標(biāo)準(zhǔn)單元組成的振蕩環(huán)頻率相比有了明顯的下降。

    如圖4所示，TDC_ringx(x=1，2，3…)代表不同參數(shù)下TDC振蕩環(huán)的周期仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)可以使帶電流鏡的延時(shí)單元在一定范圍內(nèi)抵消掉反相器延遲鏈的溫度漂移。在本設(shè)計(jì)中，將這一范圍確定為50 ℃～100 ℃。

    由于振蕩器的振蕩會(huì)產(chǎn)生一定的自熱，自熱一方面影響溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，另一方面給電路帶來(lái)一些不可逆的影響，如加快電路的老化等。當(dāng)振蕩頻率過(guò)高時(shí)，自熱尤其嚴(yán)重。基于這些問(wèn)題，本設(shè)計(jì)為T(mén)DC振蕩環(huán)中反相器設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)某叽缫越档蚑DC振蕩環(huán)的頻率，從而減小電路的自熱情況。為解決反相器尺寸的改變所引起TDC的溫度系數(shù)變大這一問(wèn)題，在TDC的振蕩環(huán)中加入用于溫度補(bǔ)償?shù)碾娏麋R以使TDC的溫漂在檢測(cè)范圍內(nèi)接近于0，從而使傳感器達(dá)到應(yīng)用的需求。

2 電路仿真結(jié)果和討論

2.1 電路功耗的仿真與功率密度計(jì)算結(jié)果

    在本設(shè)計(jì)中，預(yù)定的測(cè)量范圍在50 ℃～100 ℃范圍內(nèi)溫度的測(cè)量誤差小于-2.8～3.8 ℃。經(jīng)過(guò)調(diào)整優(yōu)化后的TDC功耗與參考文獻(xiàn)[2]中所示電路功耗仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示。

    從表1可以看出含電流鏡的TDC的功耗相比于參考文獻(xiàn)[2]有明顯下降，這主要是因?yàn)樵诤侠砜紤]寄生電容的情況下，振蕩器的動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算公式p=αV_dd²fC表明功耗和頻率成正相關(guān)，通過(guò)降低頻率可以使功耗顯著降低。

    與自熱直接相關(guān)的是功率密度，即單位面積的功耗。電路的仿真功耗和電路面積，可以根據(jù)這些結(jié)果計(jì)算出電路的功率密度。如表2所示，通過(guò)計(jì)算可知本設(shè)計(jì)中的TDC的功率密度僅為參考設(shè)計(jì)^[2]的45%左右。這一結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將有效地減少自熱對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

2.2 傳感器電路主要參數(shù)仿真結(jié)果

    由1.1中所討論的環(huán)形振蕩器頻率與溫度的定量關(guān)系可知，頻率與溫度呈類(lèi)線(xiàn)性關(guān)系，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知，對(duì)于不同的工藝corner而言，頻率與溫度的關(guān)系都是類(lèi)線(xiàn)性的，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

    由傳感部分得到的與溫度相關(guān)的時(shí)間變量pulse_width，經(jīng)過(guò)TDC的量化并由兩點(diǎn)校準(zhǔn)之后所得溫度測(cè)量值的仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯?0 ℃～100 ℃的溫度范圍內(nèi)，傳感器的測(cè)量誤差能滿(mǎn)足測(cè)量需求。

    將實(shí)測(cè)溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度值進(jìn)行比較，可以得到測(cè)量誤差，如圖7所示。從圖7中可以看出，在50 ℃～100 ℃范圍內(nèi)溫度的偏差較小，最高誤差僅為-2.8 ℃。滿(mǎn)足在預(yù)定測(cè)量范圍內(nèi)誤差較小這一設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)論

    本文針對(duì)溫度對(duì)于時(shí)域溫度傳感器電路性能的影響做了相應(yīng)改進(jìn)。主要電路改進(jìn)有兩點(diǎn)，第一在于通過(guò)改變傳感部分振蕩器的晶體管尺寸使溫度系數(shù)放大，從而使該設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足應(yīng)用的精度要求。第二點(diǎn)通過(guò)改進(jìn)TDC振蕩環(huán)的結(jié)構(gòu)，增加具有電流補(bǔ)償作用的電流鏡使得TDC的溫漂在可控的測(cè)量范圍內(nèi)接近于0，與此同時(shí)降低了TDC的振蕩頻率從而減小了電路的功耗和自熱。最后使測(cè)量誤差在應(yīng)用溫度范圍內(nèi)減小到可接受范圍。通過(guò)仿真對(duì)比可知，本設(shè)計(jì)的自熱與參考文獻(xiàn)[2]相比降低一半以上?？梢钥闯觯哂袦囟妊a(bǔ)償效應(yīng)以減小測(cè)量誤差的延時(shí)單憑借其優(yōu)勢(shì)在今后的傳感器中將得到更多的關(guān)注。

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作者信息:

李夢(mèng)雨，黃樂(lè)天，李  強(qiáng)

（電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成系統(tǒng)研究所，四川 成都610054）