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模拟集成温度传感器设计.pdf

模拟集成温度传感器设计

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2013-07-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《模拟集成温度传感器设计pdf》,可适用于IT/计算机领域

传感器世界wwwsensorworldcomcn摘要:介绍了一种模拟集成温度传感器的电路设计。该电路利用双极性晶体管基极-发射极结压降与热力学温度T成比例的关系来实现温度的测量并在μm双极工艺线上投片成功。该电路在常温℃下输出μA的电流在℃~℃的工作温度范围内的误差不超过±℃非线性度误差不超过±℃。关键字:温度传感器PTAT(与绝对温度成比例)电流密度中图分类号:TP文献标识码:A文章编号:X()收稿日期:吴畏黄倩一、引言温度传感器是电子产品设计中最常用的电子元件之一常用于环境空间温度的检测、控制等方面。随着新时期电子系统性能的不断提高传统热敏电阻由于体积大、功耗大、线性度不佳等因素已经不能满足系统改型换代的配套要求特别是在现代通讯系统日益数字化、集成化、低功耗化的今天温度传感器担负着实时检测、控制和补偿系统芯片的温度变化、保证系统在恶劣环境下稳定的工作的重任。为了保证温度检测的有效性和温度补偿的速度温度传感器的精度、线性度等指标对于温度传感器就显得非常重要。目前市场上电流型温度传感器精度普遍在°C以上而且均由国外公司生产因此本文介绍了一种国产高精度电流型温度传感器的设计。二、电路原理及设计、电路原理该温度传感器是一种基于PTAT(与绝对温度成比例)的电流型温度传感器。在电源电压为+V环境温度°C的条件下将电路显示的温度与实际温度校正到一致时这个比例因子为μAK。本电路如图所示由电流镜(Q~Q)PTAT单元(Q、Q)电压-电流转换单元(R、R)偏置单元(Q)等几个部分组成。该电路集成了个元件包括一个N沟道结型场效应管。在该电路中通过低温度系数的薄膜电阻将PTAT电压转换成PTAT电流。以此保证器件的总电流为PTAT电流的倍数。如图晶体管Q和Q产生PTAT电压R和R将电压转换为电流。Q、Q、Q构成的差分放大器提供Q、Q和RΩRΩQQQQQRkΩRkΩRΩRΩCpFQQQQQQQ衬底+图电路原理图SensorWorldwwwsensorworldcomcnResearchDevelopment和Q的基极电压。Q的集电极电流跟随Q和Q的集电极电流变化而变化同时Q还提供电路衬底的偏置电压并保证总电流与绝对温度成比例。Q用于启动整个电路加速电路进入正常工作点。上电瞬间Q处于导通状态提供输入端到地的通路随后由于R上产生的压降使VGS小于Q的阈值电压Q截止。R主要用于限制到衬底的漏电流。在℃时通过对R和R进行激光修调对该电路进行校正。、电路设计该温度传感器实现输出电流与绝对温度成比例是利用晶体管基极-发射极结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极的电流密度J成比例的关系来实现的。一个双极性晶体管基极-发射极结的I-V关系式为:kTqVeIIBESC=()其中q电子电荷k波尔兹曼常数T绝对温度IS反向饱和电流。根据上面的关系式如果有两个以电流密度J和J偏置的基极-发射极结那么它们的结电压的差值即为:)ln(JJqkTVBE=Δ()从上式可以看出当两个理想晶体管工作在电流比例为常数的情况下其结电压的差值与热力学温度成比例。如图所示设由Q~Q组成的电流镜中的电流IQ~IQ=I。同时由Q、Q组成的差分对使IQ=IQ即IQ=IQ=I。由于Q与Q的基极电压相同可得:RIVRIVRBERBE=()又有:IR=IQ+IQ=IIR=IQ+IQ=IQ+IQ+IQ+IQ=I将IR和IR代入()式有:IRVIRVBEBE=()从()式可以得到:RRVIIRIRVVBEBEBE−Δ=⇒−=−()将式()代入式()可得:)ln(RRJJqkTI−=()又:IOUT=IR+IR=I因此:)ln()()ln(JJRRqkTRRJJqkTIOUT−=−×=()从()式可以看出该电路的输出电流是与温度T相关的函数。当JJ为定值时可以通过调节R和R的阻值来调节输出电流与温度的比例因子使其为μAK。、温度校正误差、绝对误差及非线性度误差分析()温度校正误差、绝对误差分析由于Q与Q的面积比存在一定的误差假设这个面积比误差导致Q与Q的电流密度比产生一个△J(T)的误差。在℃下这个误差△J(T)为定值设此温度下该误差值为△J将其代入式()有:)ln()(JJJRRqkTIOUTΔ−=()对式()进行级数展开并忽略阶以上的高阶项可得:)ln()ln()())ln()(JJJJJJJRRqkTJJJJJRRqkTIOUTΔΔ−=⋅−=()从式()中可以看到当JJ为定值时该误差可以通过调节R和R的阻值来校正即将RR调节为原来的)ln(JJJJJΔ倍即可消除这个误差。在℃下这个误差即为校正误差。在全温范围内输出电流IOUT为:)ln()ln()()())()ln()(JJJJJJTJRRqkTJJTJJJRRqkTIOUTΔΔ−=⋅−=()从式()中可以看到由于△J(T)随温度变化而变化因此温度绝对误差是与△J(T)密切相关的。要减小温度绝对误差在工艺制作中必须减小Q与Q的面积比误差。()绝对误差及非线性度误差分析在()式中反向饱和电流Is是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数可以证明:)(expkTqVCTIgrS−=()传感器世界wwwsensorworldcomcn其中C与结面积、掺杂浓度等有关的常数r常数其数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系通常取r=。Vg()绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。将()式代入()式两边取对数可得:nlrCgBEVVTqkTTICqkVV=−−=ln)ln()(()其中TICqkVVCg)ln()(−=)(lnrnlTqkTV−=。()式就是PN结正向压降与电流和温度的函数表达式。令IC为常数则正向压降只随温度而变化但是在()式中除线性项Vl外还包含非线性项Vnl。以下对Vnl项所引起的线性误差进行分析。设温度由T变为T时正向电压由VBEl变为VBE由()式可得:rBEggBETTqkTTTVVVV)ln()()(−−−=()按理想的线性温度响应VBE为:)(lTTTVVVBEBEBE∂∂=理想()其中TVBE∂∂等于T温度时的TVBE∂∂值。由()式可得:rqkTVVTVBEgBE−−−=∂∂)(()所以有:)()()()()(TTrqkTTVVVTTrqkTVVVVBEggBEgBEBE−−−−=−−−−=理想()由VBE的理想温度函数()式和实际函数()式相比较可得VBE的线性度理论偏差为:rBEBETTqkTTTqkrVV)ln()(−==Δ-理想()此外还由于晶体管的参数具有一定的离散性导致理论与实际产生偏差。因此综上所述该温度传感器的线性度只有通过提高晶体管基极-发射极结I-V的线性特性和工艺参数的一致性来保证。三、测试与结果该模拟温度传感器已经在μm双极工艺线上实现其电路版图如图所示芯片面积约为mm×mm。该电路是一种高精度的模拟温度传感器因此采用了液态恒温槽和一等铂电阻对其进行测试。将该电路放入精度≤℃的液态恒温槽中并用℃的一等铂电阻采集恒温槽温度值与电路测量值进行对比得到电路的误差曲线和非线性曲线并与采用μm的高压双极工艺库模型的CADENCE软件的仿真结果进行对比。图、图分别展示了该电路的绝对误差曲线和非线性曲线。图展示了该电路的温度绝对误差曲线。从该图可以得图非线性误差曲线图绝对误差曲线图电路版图SensorWorldwwwsensorworldcomcnResearchDevelopment出该电路的实测温度特性与理想温度特性的偏差。如图所示其绝对误差从℃时的℃变化到℃时的℃均在±℃之内。其在℃时的校正误差通过对芯片的激光修调使其大小不会超过±℃其大小为℃。图展示了该电路的非线性误差曲线。非线性误差是其误差曲线与其误差曲线的拟和直线的偏差如图所示其最大非线性误差出现在℃附近大小为℃远小于±℃。四、结论本文展示了一种高精度电流型温度传感器的设计。该温度传感器利用双极性晶体管基极-发射极结压降与热力学温度T成比例的关系实现了在℃~℃的工作温度范围内所测试温度的误差不超过±℃非线性误差不超过±℃用途相当广泛。参考文献:AnalogDeviceIncTwoTerminalICTemperatureTransducerADEBOLhttp:wwwanalogcomDavidAJohns模拟集成电路设计M,北京:机械工业出版社,,:黄继昌,等传感器工作原理及运用实例M北京:人民邮电出版社,,:李标荣,等电子传感器M北京:国防工业出版社,,:曹培栋微电子技术基础双极、场效应晶体管原理M北京:电子工业出版社,,:DesignofanICtemperaturetransducerWUWei,HUANGQian(ChongqingResearchInstitute,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCORP,Chongqing,China)Abstract:DesignofanICtemperaturetransducerisdescribedinthispaperAfundamentalpropertyofbipolartransistorisusedtocompletethetemperaturemeasurement,thatthevoltagedropbetweenbaseelectrodeandemittingelectrodeisproportionaltoabsolutetemperatureThetransducerhassucceedinmanufacturinginμmbipolarprocessinglineThecircuithasμAoutputat°Cwiththemaximumabsoluteerrorof±°Candthemaximumnonlinearerrorof±°Cintheworkingtemperaturerangeof°C~°CKeywords:temperaturetransducerPTAT(proportionaltoabsolutetemperature)currentdensity作者简介吴畏:中国煤炭科工集团重庆设计研究院硕士研究生主要研究方向为模拟集成传感器、放大器设计。通信地址:中国煤炭科工集团重庆设计研究院邮编:邮箱:wwzjcqqqcom黄倩:中国煤炭科工集团重庆设计研究院邮编:读者服务卡编号□

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