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(dāng)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(gè) PNP 晶體管對溫度作感知讀取，即可對溫度與電壓進(jìn)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(shí)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(jìn)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(diǎn)進(jìn)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(gè)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(fù)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(jì)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(zhǔn)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(shí)對 PN 結(jié)電壓和 PN 結(jié)電壓差進(jìn)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(gè)襯底 PNP 同時(shí)感知溫度，對 PN 結(jié)電壓和結(jié)電壓差進(jìn)行處理，才能同時(shí)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(shí)控制兩者，以達(dá)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(gè) 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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)電路

本文設(shè)計(jì)中采用單個(gè)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(shí)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(shí)鐘控制。

由于單位量化器線性度非常高，因此，在設(shè)計(jì)中采用單位量化器對調(diào)制器的輸出進(jìn)行量化。對于量化噪聲來說，Sigma-delta ADC 相當(dāng)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(gè) BJT 器件作感溫電壓用于后續(xù) Sigma-detla ADC 讀出電路讀取。進(jìn)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(zhǔn)的關(guān)鍵模塊，為整個(gè)溫度感知電路和后端的 ADC 讀出電路提供電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)。Q4 單獨(dú)作為溫度感知電路。M4和運(yùn)放構(gòu)成增益自舉結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)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(fù)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(fù)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(jìn)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(dāng)校準(zhǔn)，能夠進(jìn)一步減小誤差。

通過對輸出作二次函數(shù)校準(zhǔn)，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(gè)襯底 PNP 實(shí)現(xiàn)溫度感知的溫度傳感器。通過 Sigma-delta ADC 實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。線性擬合時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn) +0.5/-0.36 ℃ 誤差，校準(zhǔn)后能夠?qū)崿F(xiàn) +0.07/-0.14 ℃ 精度。

責(zé)任編輯：pj