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。所以越來越多的設(shè)計(jì)者開始向著數(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組成很長(zhǎng)的延遲鏈以滿足測(cè)量范圍和精度的需求。另一類基于環(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溫漂問題進(jìn)行改進(jìn)，以使電路滿足在重點(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)與溫度有類線性關(guān)系。通過時(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)還可以通過多次測(cè)量求方差來實(shí)現(xiàn)。基于帶溫度補(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)與溫度是呈類線性關(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)通過增大振蕩環(huán)頻率的溫度系數(shù)來改善這一問題。

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)與溫度完全無關(guān)從而減少量化誤差。但直接由標(biāo)準(zhǔn)門級(jí)單元組成的TDC^[2]存在兩個(gè)問題——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。過高的振蕩頻率導(dǎo)致振蕩環(huán)自熱較高，從而通過溫度的變化影響了自身精度。如果直接改變TDC振蕩延時(shí)單元的尺寸來降低振蕩環(huán)頻率，則會(huì)造成溫度系數(shù)過大從而增大TDC的量化誤差。直接由標(biāo)準(zhǔn)與門單元構(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)，可以通過增大反相器的級(jí)數(shù)來降低振蕩環(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中虛線框內(nèi)所示為TDC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)用并通過改變反相器尺寸以及電流鏡數(shù)量來調(diào)整溫漂接近于0的溫度范圍以滿足應(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一些不可逆的影響，如加快電路的老化等。當(dāng)振蕩頻率過高時(shí)，自熱尤其嚴(yán)重?；谶@些問題，本設(shè)計(jì)為TDC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，頻率與溫度呈類線性關(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)系都是類線性的，滿足設(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。可以看出，在50 ℃～100 ℃的溫度范圍內(nèi)，傳感器的測(cè)量誤差能滿足測(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)能滿足應(yīng)用的精度要求。第二點(diǎn)通過改進(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?，具有溫度補(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。

參考文獻(xiàn)

[1] WATANABE T，TERASAWA T.All digital ADC TAD in sensor digitalization for scaling over wide temperature range[J].IEEE Sensors，2015：1-4.

[2] CHUNG C C，YANG C R.An autocalibrated alldigital temperature sensor for on-chip thermal monitoring[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Express Briefs，2011，58(2)：105-109.

[3] CHUNG C C，YANG C R.An all-digital smart temperature sensor with auto-calibration in 65 nm CMOS technology[C].2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2010：4089-4092.

[4] ANAND T，KOFI A M，HANUMOLU P K，et al.A VCO based highly digital temperature sensor with 0.034 ℃/mV supply sensitivity[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2016，51(11)：2651-2663.

[5] DRAJE A，F(xiàn)LOYD M S，WILLAMAN R，et al.Single-cycle pulse-shaped critical path monitor in the POWER7+micro-processor[J].Proceedings of the 2013 International Symposium on Low Power Electronics and Design，ISLPED，2013：193-198.

[6] CHEN C C，LU W F，TSAI C C，et al.A time-to-digital-converter-based CMOS smart temperature sensor[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2005，40：1642-1648.

[7] WOO K，MENINGER S，XANTHOPOULOS T，et al.Dual-DLL-based CMOS all-digital temperature sensor for micro-processor thermal monitoring[C].IEEE International Solid-State Circuits Conference-Digest of Technical Papers，2009：68-69，69a.

[8] 陳星弼，張慶中，陳勇，等.微電子器件[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[9] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuit[M].McGraw-Hill Education，2000.

作者信息:

李夢(mèng)雨，黃樂天，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）