引言
溫度傳感器是工業(yè)界和生活中應(yīng)用最廣泛的一類物理量傳感器。傳統(tǒng)的溫度傳感器以鉑和銅為主要材料,以分立元器件形式存在,體積較為龐大,并且不為當前主流的流片代工工藝所接受。
本文提出了一種采用單 BJT 襯底 PNP 感知溫度結(jié)構(gòu)的三階 Sigma-delta ADC 溫度傳感器,僅用一個 PNP 晶體管對溫度作感知讀取,即可對溫度與電壓進行擬合。
本文第 1 部分介紹了集成性溫度傳感器的工作原理。第 2 部分介紹了溫度傳感器感溫電路以及 ADC 架構(gòu)和實現(xiàn)電路。第 3 部分給出了仿真測試結(jié)果。在文章的最后進行總結(jié)。
1 基于 BJT 的感溫電路
PN 結(jié)是利用多子和少子在偏置電壓和勢壘電壓下傳輸?shù)奶攸c進行工作的。記 PN 結(jié)的電壓為 VBE,結(jié)電壓差為 ΔVBE,則有式(1)和式(2)。
(1)
(2)
其中,T 是溫度,q 是電子電荷量,Eg 是硅的帶隙能量,k 是波耳茲曼常數(shù),N 為產(chǎn)生 VBE 電壓差 ΔVBE 的兩個偏置電流支路的電流比,VT 定義如式(3)所示。
(3)
即 PN 結(jié)的電壓呈負溫度特性,PN 結(jié)的電壓差呈正溫度特性。
ADC 電路結(jié)合傳感器,利用比率計原理,可以構(gòu)造出與溫度呈線性關(guān)系的電壓比值,構(gòu)造形式如式(4)所示。
(4)
其中,記式(4)分母為 VREF,是帶隙基準電壓,如式(5)所示,其電壓值在工作范圍內(nèi)隨溫度變化近似可忽略。因此,由式(4)得出的 X 值將隨溫度呈現(xiàn)一次函數(shù)的特性。
(5)
通過線性擬合后,能夠?qū)囟戎蹬c讀出電路的輸出一一對應(yīng),如式(6)所示。
(6)
但該類型的溫度傳感器需要同時對 PN 結(jié)電壓和 PN 結(jié)電壓差進行采集,如果采用普通 CMOS 工藝,僅有襯底 PNP 類型可供使用,至少需要用到兩個襯底 PNP 同時感知溫度,對 PN 結(jié)電壓和結(jié)電壓差進行處理,才能同時擬合出溫度與電壓的關(guān)系。
VBE 和 ΔVBE 各自對 Dout 敏感度由式(7)和式(8)所定義。由于 VBE 和 ΔVBE 會對輸出 Dout 的精確值造成影響,同時控制兩者,以達到所需的溫度精度將存在較大的困難。
(7)
(8)
本文提出僅采用單個 BJT 的 VBE 電壓作為溫度的感知讀取量,且利用電源電壓作為參考電壓,避免了利用與溫度無關(guān)基準電壓作為參考電壓所帶來的感溫器件量多,電壓疊加復(fù)雜以及多溫度-電壓敏感量所帶來的精確性多變量制約的問題。
2 溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)電路
本文設(shè)計中采用單個襯底 PNP 感知溫度的變化量作為待讀取量,溫度變化轉(zhuǎn)為 PN 結(jié)電壓的變化,溫度與電壓的關(guān)系由式(1)給出。接著,通過三階 Sigma-delta ADC 作為讀出電路,將 PN 結(jié)電壓模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量。
通過比較器的輸出來控制參考電壓極性,完成參考電壓與輸入電壓交替在采樣電容中充電,實現(xiàn)電荷平衡,其具體過程可由式(9)表示。最終,輸出碼流密度 μ 將如式(10)所示。由式(10)即可得出電路的輸出量與溫度相關(guān)聯(lián)。
(9)
(10)
各級積分器由跨導(dǎo)放大器和采樣電容、積分電容構(gòu)成,具體電路如圖 1 所示。采用兩相不交疊時鐘控制。
由于單位量化器線性度非常高,因此,在設(shè)計中采用單位量化器對調(diào)制器的輸出進行量化。對于量化噪聲來說,Sigma-delta ADC 相當于高通濾波器。因此,量化噪聲將被調(diào)制到高頻處,而對于傳感器所關(guān)注的低頻段就能被用來傳輸信號。
前端集成性溫度感知電路采用 BJT 襯底 PNP 器件,能夠兼容普通 CMOS 工藝。僅用一個 BJT 器件作感溫電壓用于后續(xù) Sigma-detla ADC 讀出電路讀取。進一步簡化傳統(tǒng)溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu)。具體電路如圖 2 所示。
其中 Q1、Q2、Q3 構(gòu)成帶隙電壓基準的關(guān)鍵模塊,為整個溫度感知電路和后端的 ADC 讀出電路提供電壓基準和電流基準。Q4 單獨作為溫度感知電路。M4和運放構(gòu)成增益自舉結(jié)構(gòu),能夠進一步提高輸出阻抗。溫度免疫模塊控制 M4 管子所在支路的電流不隨溫度而變化。其主要原理是通過利用正溫度系數(shù)電阻和負溫度系數(shù)電阻工作。
為了使系統(tǒng)穩(wěn)定,三階 Sigma-delta ADC 的電壓輸入范圍限制為 ±0.65VREF 以內(nèi)。電流控制模塊能夠合理地偏置 Q4 所在的支路電流大小,使 Q4 的 PN 結(jié)電壓值在所關(guān)心的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)的電壓在三階 Sigma-delta ADC 能夠正常讀取的范圍。
3 仿真測試結(jié)果
溫度感知電路的輸出電壓與溫度呈負相關(guān)關(guān)系。通過三階 Sigma-delta ADC 作為讀出電路,將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量。在后端對數(shù)字量作擬合。對輸出的碼流進行采集,作頻譜圖,如圖 3 所示。其噪底為 -90 dB,具有三階噪聲整形效果。
在 0~100 ℃ 溫度范圍內(nèi),每隔 10 ℃ 采集讀出電路輸出。ADC 的數(shù)字量輸出如圖 4 所示,滿足式(10)的關(guān)系式。
對輸出 Dout 關(guān)于 T 作線性擬合,其誤差為 +0.5/-0.36 ℃。在后端適當校準,能夠進一步減小誤差。
通過對輸出作二次函數(shù)校準,誤差減小至+0.07/-0.14 ℃,如圖 5 所示。
4 結(jié)語
本文提出一種基于單個襯底 PNP 實現(xiàn)溫度感知的溫度傳感器。通過 Sigma-delta ADC 實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。線性擬合時,能夠?qū)崿F(xiàn) +0.5/-0.36 ℃ 誤差,校準后能夠?qū)崿F(xiàn) +0.07/-0.14 ℃ 精度。
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