本發(fā)明涉及模擬集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種可用于射頻、數(shù)字模擬混合信號(hào)電路中，尤其是紅外成像系統(tǒng)中，集成在芯片內(nèi)部的小面積、低功耗溫度傳感器。

背景技術(shù)：

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最常見和最基本的工業(yè)參數(shù)之一,是與人類的生活、工作關(guān)系最密切的物理量之一,也是各學(xué)科與工程研究設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到和必須精確測(cè)量的物理量。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體溫度，從空間、海洋到家用電器,各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都離不開測(cè)溫,測(cè)溫技術(shù)也是發(fā)展最快、范圍最廣的技術(shù)之一,對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和控制也成為工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的重要任務(wù)之一。

半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性隨溫度變化而產(chǎn)生變化，在紅外成像系統(tǒng)中，探測(cè)器利用紅外輻射產(chǎn)生熱量，進(jìn)而引起的溫度變化作為探測(cè)依據(jù)。因此溫度對(duì)紅外成像系統(tǒng)的重要性不言而喻。紅外成像系統(tǒng)包括低溫紅外成像系統(tǒng)和常溫紅外成像系統(tǒng)。低溫紅外系統(tǒng)使用液氮將系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在80K左右；在常溫紅外成像系統(tǒng)中，由于基底溫度變化對(duì)探測(cè)器性能產(chǎn)生較大影響，通常需要使用半導(dǎo)體致冷器TEC(Thermo-Electric-Cooler)來(lái)保證紅外探測(cè)器基底溫度不產(chǎn)生較大變化。上述兩種制冷的方法都會(huì)限制成像系統(tǒng)的體積和功耗，近年來(lái)，為了進(jìn)一步降低功耗和體積，實(shí)現(xiàn)便攜式應(yīng)用，業(yè)界正在積極研究無(wú)TEC的紅外成像系統(tǒng)方案。

然而無(wú)TEC的紅外成像系統(tǒng)中紅外探測(cè)器基底溫度變化較大，輸出會(huì)受到較大影響。因此需要使用溫度傳感器檢測(cè)探測(cè)器和讀出電路芯片上溫度的變化，將溫度變化信息傳遞到FPGA，通過(guò)FPGA產(chǎn)生反饋信號(hào)給集成電路，補(bǔ)償由于環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的非理想效應(yīng)。使用傳統(tǒng)分立元件作為溫度傳感器時(shí)，檢測(cè)的溫度值并不是芯片基底上真實(shí)的溫度值，因此，為了減小分立元件導(dǎo)致的檢測(cè)誤差，需要使用能夠集成于讀出電路芯片的溫度傳感器。此外，紅外成像系統(tǒng)中讀出電路芯片和探測(cè)器芯片上溫度分布并不是均勻的。為了能更加真實(shí)的反映出芯片上溫度分布的非均勻情況，需要使用多個(gè)集成溫度傳感器，分布在芯片各個(gè)位置。因此，需要使用面積小，功耗低的溫度傳感器。紅外成像系統(tǒng)溫度反饋的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)分立元件溫度傳感器不能滿足無(wú)TEC紅外成像系統(tǒng)中要求準(zhǔn)確檢測(cè)探測(cè)器芯片基底溫度的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種用于無(wú)TEC紅外成像系統(tǒng)的CMOS工藝集成溫度傳感器，增大了輸出級(jí)帶負(fù)載能力，提高了相應(yīng)速度，節(jié)約了面積，在保證輸出驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，降低了電路整體功耗。

本發(fā)明提出的一種用于無(wú)TEC紅外成像系統(tǒng)的CMOS工藝集成溫度傳感器，包括溫度檢測(cè)電路，通過(guò)一偏置電路給所述溫度檢測(cè)電路供電，通過(guò)一輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路將溫度檢測(cè)電路和輸出隔離；所述偏置電路包含PMOS管MP1、PMOS管MP2和PMOS管MP3；其中，所述PMOS管MP1工作在飽和區(qū)，PMOS管MP1的柵極和漏極短接后連接到PMOS管MP2的源極產(chǎn)生共源極偏置電壓V1；所述PMOS管MP2工作在線性區(qū)，所述PMOS管MP3工作在飽和區(qū)，PMOS管MP2和PMOS管MP3的柵極連接到PMOS管MP3的漏極，PMOS管MP2的漏極和PMOS管MP3的源極連接，產(chǎn)生共柵極偏置電壓V2；所述溫度檢測(cè)電路包括由四個(gè)PMOS管構(gòu)成的共源共柵電流鏡和兩個(gè)三極管，所述四個(gè)PMOS管分別記作PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6和PMOS管MP7，所述兩個(gè)三極管記作三極管Q1和三極管Q2；所述PMOS管MP4與所述PMOS管MP6的源極均連接電源VDD，所述PMOS管MP4和PMOS管MP6的柵極均連接所述偏置電路的共源極偏置電壓V1；所述PMOS管MP4的漏極連接PMOS管MP5的源極，所述PMOS管MP5和所述PMOS管MP7的柵極均連接所述偏置電路的共柵極偏置電壓V2，所述PMOS管MP5的漏極連接三極管Q1的發(fā)射極，所述三極管Q1基極和集電極連接地GND；所述PMOS管MP7的漏極連接三極管Q2的發(fā)射極，所述三極管Q2基極連接三極管Q1的發(fā)射極，三極管Q2集電極連接地GND；所述輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路包括四個(gè)PMOS管和兩個(gè)NMOS管,四個(gè)PMOS管記作PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10和PMOS管MP11，兩個(gè)NMOS管記作NMOS管MN1和NMOS管MN2；其中，PMOS管MP8和PMOS管MP9是共源共柵電流鏡，PMOS管MP10和PMOS管MP11是輸入對(duì)管，NMOS管MN1和NMOS管MN2是負(fù)載管；所述PMOS管MP10和PMOS管MP11及所述NMOS管MN1和NMOS管MN2的尺寸比列均為1：N。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)通過(guò)使用簡(jiǎn)化的偏置產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)，減少了偏置電路部分MOS個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了功耗。

(2)通過(guò)使用三極管串聯(lián)實(shí)現(xiàn)等效的正偏二極管串聯(lián)效果，相同溫度變化時(shí)能獲得2倍的電壓變化，提高了檢測(cè)精度。

(3)通過(guò)輸出級(jí)運(yùn)放的非對(duì)稱設(shè)計(jì)，在保證輸出驅(qū)動(dòng)能力的前提下，減小了功耗。

(4)集成溫度傳感器能夠更加準(zhǔn)確的反應(yīng)芯片基底溫度變化，優(yōu)于分立元件溫度傳感器。

(5)本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)改變實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)，沒有增加電路復(fù)雜度，沒有增加額外功耗和面積開銷，具有很高實(shí)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是紅外成像系統(tǒng)溫度反饋框圖；

圖2是本發(fā)明溫度傳感器原理圖；

圖3是PN結(jié)的I-V特性與溫度的關(guān)系；

圖4是本發(fā)明溫度傳感器輸出電壓隨溫度變化曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。

為了解決傳統(tǒng)分立元件溫度傳感器不能滿足無(wú)TEC紅外成像系統(tǒng)中要求準(zhǔn)確檢測(cè)探測(cè)器芯片基底溫度的問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種用于無(wú)TEC紅外成像系統(tǒng)的CMOS工藝集成溫度傳感器，可以節(jié)約面積降低功耗，參見附圖1。由于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中二極管通常工作在反偏條件下，難以滿足二極管正偏使用要求，本發(fā)明通過(guò)使用三極管串聯(lián)的形式，等效的實(shí)現(xiàn)了二極管正偏串聯(lián)的效果。利用正偏二極管溫度特性檢測(cè)溫度，結(jié)果檢測(cè)轉(zhuǎn)化為模擬電壓通過(guò)低功耗輸出級(jí)輸出。輸出結(jié)果可以供系統(tǒng)參考來(lái)調(diào)節(jié)電路，穩(wěn)定圖像信號(hào)輸出。

根據(jù)Shockley方程式可知，對(duì)于理想二極管，其正向?qū)妷篤_f與電流密度J_f的關(guān)系為

$J_f=J_s\[\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_f}{kT}\right)-1\]---\left(1\right)$

其中，J_s為反向飽和電流密度，q為電子電荷量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。在室溫條件下，有因此式(1)可化簡(jiǎn)為

$J_f=J_s\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_f}{kT}\right)---\left(2\right)$

二極管反向飽和電流密度可表示為

$J_s={\mathrm{CT}}^{3+\mathrm{\γ}/2}\exp (-\frac{E_g}{kT})---\left(3\right)$

其中，C為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，γ為常數(shù)，E_g為硅的禁帶寬度，若PN結(jié)的截面積為S_d，則通過(guò)PN結(jié)的電流I_f可表示為

$I_f=S_d{\mathrm{CT}}^{3+\mathrm{\γ}/2}\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_f-E_g}{kT}\right)---\left(4\right)$

當(dāng)PN結(jié)工作在恒定電流偏置的條件下時(shí)，由式(4)可得

$\frac{\∂V_f}{\∂T}=\frac{V_f}{T}-(3+\frac{\mathrm{\γ}}{2})\frac{k}{q}-\frac{E_g}{qT}---\left(5\right)$

由式(5)可知，在恒定電流條件下，當(dāng)溫度變化較小時(shí)，PN結(jié)的正向?qū)妷号c溫度之間呈負(fù)溫度系數(shù)的線性關(guān)系，也即當(dāng)PN結(jié)溫度升高時(shí)，其正向?qū)妷合陆?，如圖1所示，其中T₂>T₁。在室溫下工作的紅外成像系統(tǒng)溫度變化不會(huì)過(guò)大，可以認(rèn)為此種情況下，恒定電流工作條件下，正向?qū)ǖ腜N結(jié)壓降和溫度近似為負(fù)溫度系數(shù)的線性關(guān)系。

如圖2所示，本發(fā)明用于無(wú)TEC紅外成像系統(tǒng)的CMOS工藝集成溫度傳感器包括偏置電路，溫度檢測(cè)電路(包括共源共柵電流鏡和溫度檢測(cè)核心電路)和輸出級(jí)電路，通過(guò)所述偏置電路給所述溫度傳感器供電，通過(guò)所述輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路將溫度檢測(cè)電路和輸出隔離。通過(guò)偏置電路產(chǎn)生與溫度基本無(wú)關(guān)的常數(shù)電流和共柵極偏置電壓，通過(guò)溫度檢測(cè)電路將三極管連接成二極管形式，利用二極管溫度特性獲得負(fù)溫度系數(shù)電壓。最終通過(guò)輸出級(jí)將信號(hào)電壓輸出。本發(fā)明提出的方法電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的偏置電路供電，節(jié)約功耗和面積，通過(guò)輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路將溫度檢測(cè)電路和輸出隔離，減小后級(jí)電路對(duì)溫度檢測(cè)電路的影響。各電路的結(jié)構(gòu)及其連接關(guān)系如下：

所述偏置電路利用電流產(chǎn)生溫度檢測(cè)電路中的共源共柵電流鏡需要的共源極偏置電壓V1和共柵極偏置電壓V2。所述偏置電路包含PMOS管MP1、PMOS管MP2和PMOS管MP3；其中，所述PMOS管MP1工作在飽和區(qū)，PMOS管MP1的柵極和漏極短接后連接到PMOS管MP2的源極產(chǎn)生共源極偏置電壓V1；所述PMOS管MP2工作在線性區(qū)，所述PMOS管MP3工作在飽和區(qū)，PMOS管MP2和PMOS管MP3的柵極連接到PMOS管MP3的漏極，PMOS管MP2的漏極和PMOS管MP3的源極連接，產(chǎn)生共柵極偏置電壓V2。

所述溫度檢測(cè)電路包括由四個(gè)PMOS管構(gòu)成的共源共柵電流鏡和由兩個(gè)三極管構(gòu)成的溫度檢測(cè)核心電路，所述四個(gè)PMOS管分別記作PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6和PMOS管MP7，所述兩個(gè)三極管記作三極管Q1和三極管Q2；所述PMOS管MP4與所述PMOS管MP6的源極均連接電源VDD，所述PMOS管MP4和PMOS管MP6的柵極均連接所述偏置電路的共源極偏置電壓V1；所述PMOS管MP4的漏極連接PMOS管MP5的源極，所述PMOS管MP5和所述PMOS管MP7的柵極均連接所述偏置電路的共柵極偏置電壓V2。兩個(gè)三極管通過(guò)圖2中的連接方式，等效實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正偏二極管串聯(lián)的效果，圖2中節(jié)點(diǎn)B對(duì)地等效為兩個(gè)正偏的二極管串聯(lián)。如圖2所示，所述PMOS管MP5的漏極連接三極管Q1的發(fā)射極，所述三極管Q1基極和集電極連接地GND；所述PMOS管MP7的漏極連接三極管Q2的發(fā)射極，所述三極管Q2基極連接三極管Q1的發(fā)射極，三極管Q2集電極連接地GND；通過(guò)電流鏡結(jié)構(gòu)，給兩個(gè)三極管Q1和三極管Q2提供恒定大小的電流I，三極管Q1和三極管Q2連接成二極管級(jí)聯(lián)的形式，利用二極管電流特性在三極管Q2發(fā)射極得到與溫度成反比的電壓。

所述輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路采用改進(jìn)的五管運(yùn)放結(jié)構(gòu)，包括四個(gè)PMOS管和兩個(gè)NMOS管,四個(gè)PMOS管記作PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10和PMOS管MP11，兩個(gè)NMOS管記作NMOS管MN1和NMOS管MN2；其中，PMOS管MP8和PMOS管MP9是共源共柵電流鏡，PMOS管MP10和PMOS管MP11是輸入對(duì)管，NMOS管MN1和NMOS管MN2是負(fù)載管；所述PMOS管MP10和PMOS管MP11及所述NMOS管MN1和NMOS管MN2的尺寸比列均為1：N。通過(guò)非對(duì)稱設(shè)計(jì)，增大了輸出級(jí)帶負(fù)載能力，提高了相應(yīng)速度，減小了電路整體功耗，在保證輸出驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，減小了功耗。

本發(fā)明提出的溫度傳感器電路采用的原理是恒定電流工作條件下，正向?qū)ǖ腜N結(jié)壓降和溫度近似為負(fù)溫度系數(shù)的線性關(guān)系，如圖3所示。電路實(shí)現(xiàn)上，通過(guò)電流鏡的鏡像電流在三極管Q1和Q2上產(chǎn)生恒定大小的電流，節(jié)點(diǎn)B對(duì)地等效為兩個(gè)正偏二極管的串聯(lián)，分別是三極管Q1的基極與發(fā)射極BE結(jié)，三極管Q2的基極與發(fā)射極BE結(jié)。當(dāng)芯片溫度變化時(shí)PN結(jié)電學(xué)特性變化，在BE結(jié)上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化△V，節(jié)點(diǎn)B處電壓變化為2△V。節(jié)點(diǎn)B電壓經(jīng)過(guò)輸出級(jí)單位增益緩沖器驅(qū)動(dòng)輸出。如圖4，Cadence Spectre工具仿真結(jié)果顯示，在-10℃-60℃溫度范圍內(nèi)，溫度探測(cè)器輸出電壓溫度系數(shù)約為4.29mV/℃。

盡管上面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。