一种CMOS温度传感器输出误差的数字校正方法_于博文.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202301007January2023Semiconductor Technology Vol48 No143一种 CMOS 温度传感器输出误差的数字校正方法于博文1，俞若愚2，尹飞飞1，刘兴辉1，*(1 辽宁大学 物理学院，沈阳110036;2 成都华微电子科技股份有限公司，成都610041)摘要:针对 CMOS 温度传感器模拟校正方法需额外增加校正器件，而数字校正方法存在精度偏低的问题，提出了一种新的适用于 CMOS 温度传感器的数字校正方法。对 CMOS 温度传感器的传输函数进行推导，得到温度传感结果与数字电路的关系。根据传输函数，对温度传感器数字电路中的计数器及状态机的参数进行修调，通过改变计数周期个数及计数初值达到校正电路的增益误差及失调误差的目的，得到温度传感器的测温结果。仿真及实测结果表明，采用所提出的校正方法设计的温度传感器，在55125，测温误差小于 1.04，满足高精度应用需求。关键词:温度传感器;数字校正;传输函数;计数器;状态机中图分类号:TN792文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01004305A Digital Calibration Method for Output Error ofCMOS Temperature SensorsYu Bowen1，Yu uoyu2，Yin Feifei1，Liu Xinghui1，*(1 School of Physics，Liaoning University，Shenyang 110036，China;2 Chengdu Sino Microelectronics Technology Co，Ltd，Chengdu 610041，China)Abstract:For CMOS temperature sensor，analog calibration method requires additional correctiondevices，and the digital calibration method has the problem of low accuracy A new digital correctionmethod for CMOS temperature sensor was proposed By deriving the transfer function of the CMOS tem-perature sensor，the relationship between temperature sensing result and the digital circuit was obtainedThen，according to the transfer function，the parameters of counter and state machine in digital circuit ofthe temperature sensor were adjusted By changing the number of counting cycles and the initial value ofcounting to correct the gain error and offset error，and the temperature measurement results of the tem-perature sensor were obtained Simulation and measurement results show that the temperature sensorusing the proposed calibration method has a temperature measurement error less than 1.04 at 55125，which can meet the requirements of high accuracy applicationsKeywords:temperature sensor;digital calibration;transfer function;counter;state machine基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(2021MS148)EEACC:1265H0引言温度传感器作为开发最早、应用最广的一种传感器件，在科技、医疗、农业等领域都有着广泛的应用。基于 CMOS 工艺的片上集成温度传感器集成了温度传感电路和信号处理电路，具有低成本、低功耗的优点。但在芯片制造时，由于工艺偏差等非理想因素的限制，CMOS 温度传感器比传统温度传感器的测温范围窄、精度差，通常需要增加校正电路以有效消除非理想因素，进而保证 CMOS 温度传感器的测温精于博文等:一种 CMOS 温度传感器输出误差的数字校正方法=44半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月度。通常采用模拟校正技术和数字校正技术对温度传感器进行校正。但是模拟校正技术需采用可编程技术，会在电路中增加很多双极晶体管和电阻。廖望等人 1 为消除误差，在模拟电路中加入多个电流镜和开关。韦钰等人 2 为减小误差，在电路中引入了多个校正电阻及开关。引入模拟器件会使模拟电路的设计难度增加 3，且仍需在外围加入寄存器、熔丝电阻等。张艳飞等人 4 采用了对数字电路进行校正的技术，在量化区间的中间设置了一个数据区间，将下次比较得到的结果叠加上去，得到一个确定的数据，完成数字校正，其精度达到2.2，但并不能满足目前的高精度温度传感器的要求。基于此，本文提出了一种针对 CMOS 温度传感器的数字校正技术，可极大地减小电路设计难度并免除多余的模拟器件，只对最终的模数转换器(ADC)输出进行校正即可实现所要求的精度。1CMOS温度传感器的传输函数温度传感器的工作机制是获取与温度相关的模拟信号，通过 ADC 将其转换为数字信号，并通过数学换算得到温度读数5。温度转换电路采用开关电流镜加衬底双极结型晶体管来实现6，首先在偏置电路使用一组面积比为 p 1 的双极结型晶体管产生一个与温度成正比(PTAT)的电流，再将电流复制至感温电路，再使用动态元素匹配(DEM)技术控制流向衬底双极结型晶体管的电流，产生有正温度系数的电压 VBE+和有负温度系数的电压 VBE，这两个电压在-ADC的电容求和网络中经运算产生一个与温度相关的传输函数。该电路的设计框图如图 1 所示。图 1温度转换电路框图Fig.1Block diagram of the temperature conversion circuit温度传感器感受到外部温度后，对温度信号进行传输、运算和校正并得到数字输出码 DOUT，可以用一次函数表示为3 DOUT=A+B(1)式中:A、B 为常数;为-ADC 的输出脉冲密度。-ADC 以脉冲密度调制形式实现输入量化，脉冲的密度代表了一段时间内的信号平均值7。在积分次数足够多时，量化误差减小，使得流入积分器的正电荷的量与负电荷的量相同3，因此-ADC 的输出脉冲密度能够反映温度的变化。经过多个周期的积分得到的脉冲密度与温度相关。通过添加计数器和状态机可获取脉冲密度。计数器负责对-ADC 输出的数字脉冲进行计数，得到一个转换周期中-ADC 输出的高电平脉冲的个数，因此计数器的输出值即为该转换周期内温度的对应值8。除了高电平脉冲个数，总工作周期个数也是计算脉冲密度的关键，因此添加状态机，当达到设定的周期时，状态机输出的状态个数就是总工作周期个数。假设-ADC 输出中有 M 个高电平和N 个低电平，计数器对 ADC 的高电平脉冲计数，得到 M，状态机反映整个温度传感器的工作周期个数，得到 M+N，高电平脉冲占整个工作周期个数的比率即脉冲密度 就反映了温度，即=MM+N(2)在温度传感器感受到温度并产生与温度相关的电流、电压后，对-ADC 中的电荷量进行分析。比较器会控制输入积分器的电压。根据 PTAT 电流数字码转换电路(图 2)和积分器的不同工作状态(图 3)，在不同的电流和电压条件下进行讨论。图中 m 为动态匹配电流镜个数，n 为比较器控制的输入开关电容电路的电压传输门个数，需根据具体电路设计来确定。积分器的单端采样电容为C1，积分器的单端积分电容为 C2。图 2PTAT 电流数字码转换电路Fig.2PTAT current-digital code conversion circuit于博文等:一种 CMOS 温度传感器输出误差的数字校正方法=January2023Semiconductor Technology Vol48 No145(a)比较器输出为高电平(b)比较器输出为高电平时积分器的积分工作时积分器的采样工作模式模式(c)比较器输出为低电平(d)比较器输出为低电平时积分器的积分工作时积分器的采样工作模式模式图 3积分器的不同工作状态Fig.3Different operating states of the integrator在比较器输出为高电平时，流入积分器的电荷量 QH为QH=VBE，HC1=nC1VBE(m2)(n 1)C1VBE(m2)=nVBE(m2)(n 1)VBE(m2)C1(3)式中 VBE(m2)为比较器输出高电平时的输入电压。在比较器输出为低电平时，流入积分器的电荷量QL为QL=VBE，LC1=nC1VBE1 nC1VBE(m1)=nVBE1 nVBE(m1)C1(4)式中 VBE(m1)和 VBE1为比较器输出低电平时的输入电压。为了将得到的电平信号转换为代表温度的数字码，采用计数器对比较器输出的高电平进行计数，再利用状态机控制计数器的复位和停止，因此状态机的总工作周期个数即为计数器的工作总电平个数。当积分次数足够时，流入积分器的正、负电荷相等，根据电荷守恒定律，电荷存储量为2C1(MVBE，H+NVBE，L)=0(5)根据式(5)及积分器不同工作状态下流入的电荷量，可推导得到2C1 M(nVBE(m2)(n 1)VBE(m2)+N(nVBE1 nVBE(m1)=0(6)令 VBE1 VBE(m1)=VBE(m1)(7)代入式(6)中，并消去 C1得到MN=nVBE(m1)VBE(m2)(8)根据式(8)，推导出 为=MM+N=nVBE(m1)VBE(m2)+nVBE(m1)(9)根据式(1)，本文温度传感器的传输函数为DOUT=MM+N(M+N)Bweight+T0(10)式中:Bweight为计数器最低位的权重，即温度传感器的分辨率，(M+N)Bweight即式(1)中的 A;T0为初始温度所对应的数字码。根据式(10)所得到的数字码即可推导出所测的温度。由式(10)可见，调整 T0或更改 ADC 输出信号的总周期个数(M+N)也能消除误差。2误差校正原理温度传感器要求输出结果与实际温度呈正比例函数，但由于增益误差的存在，电路的输出斜率并不为 1。根据式(10)可以看到:对温度传感器增益误差的修正，可以通过对状态机总周期数的校正来实现。当斜率发生偏移时，令式(10)中的(M+N)Bweight=1，计算出(M+N)的值，可使增益误差得以校正。而对于失调误差，可在对增益误差进行校正后重新测量温度，得到初始值的校正值，达到校正失调误差的目的。2.1周期校正原理根据式(10)可看出对周期个数(M+N)进行增减可以对测温结果进行校正。状态机控制着计数器的复位和工作周期个数，当计数器的总计数个数达到状态机所设定的周期时，状态机会将计数器复位，因此状态机的总周期个数就是计数器的计数总工作周期个数，即式(10)中的(M+N)。由于状态机控制 ADC 转换的总工作周期个数，状态机初始值改变，会使 ADC 转换的总工作周期个数发生改变，引起 的改变，从而实现对增益误差的校准。对温度传感器进行封装后，由于-ADC 的误差主要来自于器件的不匹配9，加工过程中由工艺漂移引入的器件参数变化，以及封装过程的机于博文等:一种 CMOS 温度传感器输出误差的数字校正方法=46半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月械应力引入的误差，因此要使用修调技术以消除制备过程中产生的误差。增益误差校正原理如图 4 所示，根据温度传感器封装后的测试结果，先计算出增益误差校正码，根据所计算的校正码，熔断对应的修调熔丝电阻，改变状态机工作周期个数寄存器的寄存值，使得状态机的工作周期个数发生改变。上电后，每个修调单元将根据校正码对相应的状态机位来设置周期数，以校正增益误差。图 4增益误差校正原理图Fig.4Gain error calibration schematic2.2初值校正原理熔丝电阻用于 ADC 中计数器的初值校正，可起到失调校准的作用，即校正式(10)中的 T0。在校正过增益误差后，再进行测试获取新的数据，根据仿真时设定的温度传感器工作的环境温度对T0进行校正，每个校正单元将根据校正码对相应的计数器位来设置初始值，通过改变计数器初始值，从而实现对失调误差的校准。失调误差校正原理如图 5 所示，根据封装后测试结果得出失调误差校正码，根据所计算的校正码，使用控制电路熔断对应的修调熔丝电阻，熔丝电阻会更改计数器输出寄存器的寄存值，使计数器初始值发生改变，上电后，每个校正单元将根据校正码对相应的计数器位来设置初始值，以修正失调误差。图 5失调误差校正原理图Fig.5Offset error calibration schematic3温度传感器测温结果及对比对温度传感器进行仿真后，分析输出温度结果并使用数字校正技术对初始值及总周期数进行校正，得到接近正确的温度值，得到前仿结果。对流片并封装后的芯片再次使用数字校正方法，在55 125 的测温范围内校正其增益误差及失调误差，据此测出流片测量误差即为温度传感器的最终误差。在不同的温度下，对使用本文提出的数字校正技术的温度传感器进行了前仿、后仿，流片并封装后对芯片进行了测试，结果如表 1 所示。表 1温度传感器的仿真及实测结果Tab.1Simulation and measurement results of the temperature sensor设定温度/温度寄存器读数前仿结果/误差/后仿结果/实测误差/551 00110111 001055.1250.125 054.687 50.570.99201 00010011 101119.687 50.312 500 00000000 01010.312 50.312 5250.291270 00011011 011027.3750.375 027.8751000 01100100 0011100.187 50.187 51250 01111101 0011125.187 50.187 5124.8751.040.05采用表 1 数据绘制使用本文数字校正技术的温度传感器的前仿、后仿结果，以及流片封装后的测温结果，如图 6(a)所示，可以看出测温结果与实际温度基本相等。图 6(b)分别为温度传感器的前仿、后仿和实测的测温误差。可以看出通过数字校正方法的校正，温度传感器的误差小于1.04。使用本文所提出的数字校正技术的温度传感器与其他温度传感器的性能对比结果如表 2 所示。本文所采用的数字校正方法基于-ADC 的数字部分实现，不需要设计额外的数字电路和模拟电路，仅需与其他校正方法一样的熔丝电路即可实现校正功能，且精度良好。于博文等:一种 CMOS 温度传感器输出误差的数字校正方法=January2023Semiconductor Technology Vol48 No147(a)测温结果(b)测温误差图 6CMOS 温度传感器的测温结果及误差Fig.6Temperature measurement results and errors of the CMOS temperature sensor表 2本文与其他使用校正电路的温度传感器的性能对比Tab.2Performance comparison of temperature sensors using calibration circuits in the article and other literatures文献电路设计添加器件工作电压/V测温范围/工艺前仿误差/实测误差/校正方法本文无需额外添加2.7551250.6 m0.3751.04数字校正 1多个电流镜及开关3.3551250.18 m0.450.7模拟校正 2多个电阻及开关401200.35 m0.5模拟校正 42.5551250.55 m2.2数字校正 10多个电阻及开关3.3351050.5 m1模拟校正 11多个电容及开关0500.18 m0.3模拟校正4结论本文提出了一种基于数字校正技术的误差校正方法，并将这种误差校正方法用于实际的电路设计中，实现了一个高精度的 CMOS 温度传感器。与其他的模拟校正技术相比，不需设计额外的电路，降低了设计难度，且精度更高，适用于更广泛的应用场景。测试结果表明，在 2.7 V 的工作电压下，在55125 的测温范围，该温度传感器前仿的测温误差小于0.375，流片后对样品进行测试，其测温误差小于 1.04，满足高精度的应用需求。参考文献:1 廖望，侯江，郭亮，等 一种高精度低功耗数字温度传感器 J 微电子学，2022，52(2):318322 2 韦钰，罗磊，唐俊龙，等 一种具有0.5 精度的CMOS 数字温度传感器 J 电子设计工程，2021，29(1):3640 3 PETIJS M A P，HUIJSING J H Precision temperaturesensor in CMOS technology M Dordrecht:Springer，2006:73 4 张艳飞，曹正州 一种集成于系统芯片的低功耗温度传感器设计 J 电子与封装，2020，20(11):110302-1110302-6 5 黄继伟，陈星，王科平 应用于 MEMS 基频率源的CMOS 温度传感器 J 福州大学学报(自然科学版)，2021，49(4):451457 6 TUTHILLMAswitched-current，switched-capacitortemperature sensor in 0.6-m CMOS J IEEE Journalof Solid-State Circuits，1998，33(7):11171122 7 BAKE J CMOS 集成电路设计手册:第 3 版(模拟电路篇)M 张雅丽，朱万经，张徐亮，译 北京:人民邮电出版社，2014:401 8 郭建宁，陈文芗，冯勇建 用于温度传感芯片的开关电容积分器的设计 J 厦门大学学报(自然科学版)，2007(6):792796(下转第 53 页)王胜福等:基于 GaAs PHEMT 工艺的超宽带多通道开关滤波器组 MMIC=January2023Semiconductor Technology Vol48 No153图 14芯片反射特性测试曲线Fig.14Test curves of reflection characteristics of the chip4结论本文基于0.25 m GaAs PHEMT 工艺设计并制作了一款小型化、高性能、多通道、超宽带开关滤波器组芯片。该开关滤波器组芯片通带频率覆盖0.818 GHz，包含 7 个通带滤波器支路，开关采用 PHEMT 串并联混合结构，滤波器选用 7 阶集总带通滤波器，性能较优。经探针台在片测试，7个支路的中心插入损耗均小于 8.5 dB，通带内回波损耗小于 10 dB，典型带外衰减大于 40 dB，且一直到 30 GHz 都没有寄生通带，有较宽的阻带。参考文献:1 李鹏亮，吴欢，张大为，等 基于 GaAs PHEMT 工艺的 Ka 频段双通道开关滤波器组芯片 J 微波学报，2019，36(2):1422 2 耿苗 GaN HEMT 微波段开关器件及开关电路研究 D 西安:西安电子科技大学，2017 3 秦昌 GaAs 微波开关与衰减器研究与设计 D 成都:电子科技大学，2019 4 刘志军，陈凤霞，高学邦，等 212 GHz 集成 E/D驱动功能的数控衰减器单片 J 半导体技术，2013，38(4):254258 5 谭超 DC35 GHz 超宽带单刀四掷开关单片集成电路 J 半导体技术，2013，38(8):576580 6 高显，何庆国，白银超，等 基于倒装应用的单刀双掷开关 MMIC 设计 J 半 导 体 技 术，2016，41(12):899905 7 甘本祓，吴万春 现代微波滤波器的结构与设计 M 北京:科学出版社，1973:191197 8 吴生彪 微波腔体滤波器建模与计算机调试策略 D 武汉:中国地质大学，2019(收稿日期:20220319)作者简介:王胜福(1981)，男，河北唐山人，高级工程师，主要从事各类射频/微波无源电路及相关产品的研究。=(上接第 47 页)9 ALLEN P E，HOLBEGD CMOS 模拟集成电路设计:第 2 版 M 冯军，李智群，译 北京:电子工业出版社，2005:581 10 姜慧强，陈旭斌，莫炯炯，等 自校正型 CMOS 数字温度传感器 J 电子学报，2017，45(4):944949 11 冯晓星，唐飞，李琰，等 一种集成高精度温度传感器的 FID 标签芯片 J 微电子学与计算机，2019，36(5):2328(收稿日期:20220922)作者简介:于博文(1998)，男，黑龙江鸡西人，硕士研究生，研究方向为模拟集成电路设计;刘兴辉(1972)，男，辽宁辽阳人，博士，教授，研究方向为半导体器件与集成电路设计。