一种基于双环路钳位结构的温度感知电路

1.本文件涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种基于双环路钳位结构的温度感知电路。


背景技术：

2.由于高温会对ic元器件的性能产生负面的影响，所以在集成电路中能够有效地监控正在工作电路的温度非常重要，随着我国集成电子电路行业迅速发展，利用集成电路对温度进行检测的技术也越来越成熟，温度温度传感器的种类也越来越多多，但是仍然面临着很多方面的挑战。
3.目前，现有的温度传感器感温电路通常通过2-t结构产生与绝对温度成正比的电压产生指示温度的信号，该结构虽然可以产生正、负温度系数的电压，但是电压的一阶特性较差，并且受限于电压余度，电压的变化范围也较小，因此分辨率较低，因此，低成本、高性能的温度传感器具有非常广阔的市场前景。


技术实现要素：

4.本说明书一个或多个实施例提供了一种基于双环路钳位结构的温度感知电路，所述电路包括参考电压生成电路、基准电流生成电路和感温电压生成电路；
5.所述参考电压生成电路与所述基准电流生成电路连接，用于生成参考电压，作为所述基准电流生成电路输入电压；所述基准电流生成电路为双环路钳位结构，包括两个运放，两个运放分别形成两个反馈环路，所述两个运放分别连接在所述电阻两端，对所述电阻两端电压进行钳位处理；所述感温电压生成电路包括正温度系数ptat感温电压生成电路和负温度系数ctat感温电压生成电路，ptat感温电压生成电路和ctat感温电压生成电路分别由基准电流进行偏置，与所述两个运放连接，所述ptat感温电压生成电路和ctat感温电压生成电路分别采用二极管堆叠结构实现ptat电压和ctat电压的一阶温度系数加倍。
6.进一步地，所述参考电压生成电路包括多个pmos管，所述多个pmos管依次串联连接，所述参考电压生成电路用于产生两个参考电压v
ref1
和v
ref2
，参考电压v
ref1
和v
ref2
分别与两个运放输入端连接，作为所述运放的输入电压v
ref1
、v
ref2
。
7.进一步地，所述运放为二级运放。
8.进一步地，所述基准电流生成电路通过两个运放钳位作用使所述电阻两端的电压v
top
、v
bottom
分别等于所述电阻两端连接的运放的输入电压v
ref1
、v
ref2
，通过电阻两端输入电压v
top
、v
bottom
的差值计算产生的基准电流。
9.进一步地，所述ctat感温电压生成电路包括两个nmos管m5、m6和第一电流镜m1、m2，所述第一电流镜m1栅极连接所述基准电流生成电路，m2栅极与所述nmos管连接。
10.进一步地，所述ptat感温电压生成电路包括两个pmos管m7、m8和第二电流镜m3、m4，所述第二电流镜m3漏极连接所述基准电流生成电路，m4漏极与所述pmos管连接。
11.进一步地，所述第一电流镜用于通过m1将所述基准电流复制到m2所在支路，为所
述ctat感温电压生成电路的nmos管m5、m6提供偏置电流，使得m5、m6工作在亚阈值区，m1、m2为pmos管。
12.进一步地，所述第二电流镜用于通过m3将所述基准电流复制到m4所在支路，为所述ptat感温电压生成电路的nmos管m7、m8提供偏置电流，使得m7、m8工作在亚阈值区，m3、m4为nmos管。
13.进一步地，所述ctat感温电压生成电路的nmos管m5、m6串联连接且m5、m6的宽长比相同。
14.进一步地，所述ptat感温电压生成电路的pmos管m7、m8串联连接且m7、m8的宽长比相同。
15.本发明的有益效果如下：
16.参考电压生成电路采用二极管堆叠的结构使得生成的参考电压几乎不随温度改变；基准电流生成电路通过双环路钳位结构生成基准电流，使用的支路更少，功耗更低，基准电流的温度稳定性更好；双环路电流基准电路中的高增益运放令电阻两端电压被钳位至参考电压，降低了该类结构的电阻上的压差，从而降低了电路整体功耗；利用基准电流对温度感知mos管作偏置，令输出电压具有良好的一阶温度特性，并通过mos堆叠，使电压温度系数翻倍，提高温度感知电路的分辨率；整体电路在仅4个支路上完成温度无关电流和多温度感知信号输出，减少了电路所需面积，具有高工艺兼容性。
17.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
18.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种基于双环路钳位结构的温度感知电路示意图。
具体实施方式
20.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
21.本发明实施例提供了一种基于双环路钳位结构的温度感知电路，图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种基于双环路钳位结构的温度感知电路示意图，如图1所示，根据本发明实施例的基于双环路钳位结构的温度感知电路具体包括：参考电压生成电路、基准电流生成电路和感温电压生成电路；
22.所述参考电压生成电路与所述基准电流生成电路连接，用于生成参考电压，作为所述基准电流生成电路输入电压；所述基准电流生成电路为双环路钳位结构，包括两个运放，两个运放分别形成两个反馈环路，所述两个运放分别连接在所述电阻两端，对所述电阻两端电压进行钳位处理；所述感温电压生成电路包括正温度系数ptat感温电压生成电路和负温度系数ctat感温电压生成电路，ptat感温电压生成电路和ctat感温电压生成电路分别由基准电流进行偏置，与所述两个运放连接，所述ptat感温电压生成电路和ctat感温电压生成电路分别采用二极管堆叠结构实现ptat电压和ctat电压的一阶温度系数加倍。
23.具体的，所述参考电压生成电路包括多个pmos管，所述多个pmos管依次串联连接，本实施例中，参考电压生成电路由36个pmos管堆叠形成，所述参考电压生成电路用于产生两个参考电压v
ref1
和v
ref2
，双环路钳位结构中运放为高增益(96.8db)的二级运放，使得v
top
＝v
ref1
，v
bottom
＝v
ref2
，从而在电阻上产生的基准电流为：
24.i
ref
＝(v
bottom-v
top
)/r；
25.参考电压v
ref1
和v
ref2
分别与两个运放输入端连接，为两个运放提供良好温度稳定性的输入电压所述运放的输入电压v
ref1
、v
ref2
；
26.所述基准电流生成电路通过两个运放钳位作用使所述电阻两端的电压v
top
、v
bottom
分别等于所述电阻两端连接的运放的输入电压v
ref1
、v
ref2
，其中，v
top
＝v
ref1
，v
bottom
＝v
ref2
，从而通过电阻两端输入电压v
top
、v
bottom
的差值计算产生的几乎不随温度改变的基准电流i：
[0027][0028]
ctat感温电压生成电路包括两个nmos管m5、m6和第一电流镜m1、m2，所述第一电流镜m1栅极连接所述基准电流生成电路，m2栅极与所述nmos管连接；
[0029]
第一电流镜通过m1将所述基准电流复制到m2所在支路，使得m2所在支路电流i
ref1
＝i，因此i
ref1
也是基准电流，并且给二极管连接的ctat感温电压生成电路的nmos管m5、m6提供偏置电流，使得m5、m6工作在亚阈值区，其中，第一电流镜中m1、m2为pmos管，漏电流计算方法如下：
[0030][0031]
其中，k为mos管的宽长比，μ为载流子迁移率，c
ox
为删氧化层电容，v
t
为热电压，v
gs
为mos管栅源电压，η为亚阈值系数，v
th
为mos管阈值电压，v
ds
为mos管漏源电压。
[0032]
当v
ds
＞＞v
t
时，有：
[0033][0034][0035]
其中μ0为绝对零度的载流子迁移率，
[0036]
测量得m近似为2，因此对数项中的温度系数可以忽略，近似认为对数项与温度
无关，假设对数项的真数为m，则有：
[0037][0038]
其中，q为元电荷量，kb为玻尔兹曼常数。
[0039]
因为且故v
gs
具有负温度系数。
[0040]
通过两个二极管连接的nmos m5和m6串联，实现了堆叠结构，由于m5、m6具有相同的宽长比，从而使得m5的栅源电压的温度系数为：
[0041][0042]
因此，实现了ctat电压的一阶温度系数加倍的效果。
[0043]
同理，所述ptat感温电压生成电路包括两个pmos管m7、m8和第二电流镜m3、m4，所述第二电流镜m3漏极连接所述基准电流生成电路，m4漏极与所述pmos管连接；
[0044]
第二电流镜通过m3将所述基准电流复制到m4所在支路，使得m4所在支路电流i
ref2
＝i，因此i
ref2
也是基准电流，并且为二极管连接的ptat感温电压生成电路的nmos管m7、m8提供偏置电流，使得m7、m8工作在亚阈值区，其中，m3、m4为nmos管，漏电流计算方法如下：
[0045][0046]
其中，k为mos管的宽长比，μ为载流子迁移率，c
ox
为删氧化层电容，v
t
为热电压，v
gs
为mos管栅源电压，η为亚阈值系数，v
th
为mos管阈值电压，v
ds
为mos管漏源电压；
[0047]
当v
ds
＞＞v
t
时，有：
[0048][0049][0050]
其中μ0为绝对零度的载流子迁移率，
[0051]
测量得m近似为2，因此对数项中的温度系数可以忽略，即近似认为对数项与温度无关，假设对数项的真数为m则：
[0052][0053]
其中，q为元电荷量，kb为玻尔兹曼常数。
[0054]vptat
＝vdd-|v
gs7
|-|v
gs8
|
[0055]
＝vdd+v
gs7
+v
gs8
[0056]
由于v
gs7
、v
gs8
为负，并且v
gs
具有上述温度特性，随着温度的升高v
gs
的绝对值线性减小，故v
ptat
具有正温度系数。
[0057]
通过两个二极管连接的nmos m7和m8串联，实现了堆叠结构，由于m7、m8具有相同的宽长比，从而使得m8的栅源电压的温度系数为：
[0058][0059]
因此，实现了ptat电压的一阶温度系数加倍的效果。
[0060]
本发明的有益效果如下：
[0061]
参考电压生成电路采用二极管堆叠的结构使得生成的参考电压几乎不随温度改变；基准电流生成电路通过双环路钳位结构生成基准电流，使用的支路更少，功耗更低，基准电流的温度稳定性更好；双环路电流基准电路中的高增益运放令电阻两端电压被钳位至参考电压，降低了该类结构的电阻上的压差，从而降低了电路整体功耗；利用基准电流对温度感知mos管作偏置，令输出电压具有良好的一阶温度特性，并通过mos堆叠，使电压温度系数翻倍，提高温度感知电路的分辨率；整体电路在仅4个支路上完成温度无关电流和多温度感知信号输出，减少了电路所需面积，具有高工艺兼容性。
[0062]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于双环路钳位结构的温度感知电路，其特征在于，所述电路包括参考电压生成电路、基准电流生成电路和感温电压生成电路；所述参考电压生成电路与所述基准电流生成电路连接，用于生成参考电压，作为所述基准电流生成电路输入电压；所述基准电流生成电路为双环路钳位结构，包括两个运放，两个运放分别形成两个反馈环路，所述两个运放分别连接在所述电阻两端，对所述电阻两端电压进行钳位处理；所述感温电压生成电路包括正温度系数ptat感温电压生成电路和负温度系数ctat感温电压生成电路，ptat感温电压生成电路和ctat感温电压生成电路分别由基准电流进行偏置，与所述两个运放连接，所述ptat感温电压生成电路和ctat感温电压生成电路分别采用二极管堆叠结构实现ptat电压和ctat电压的一阶温度系数加倍。2.根据权利要求1所述的温度感知电路，其特征在于，所述参考电压生成电路包括多个pmos管，所述多个pmos管依次串联连接，所述参考电压生成电路用于产生两个参考电压v
ref1
和v
ref2
，参考电压v
ref1
和v
ref2
分别与两个运放输入端连接，作为所述运放的输入电压v
ref1
、v
ref2
。3.根据权利要求1所述的温度感知电路，其特征在于，所述运放为二级运放。4.根据权利要求2所述的温度感知电路，其特征在于，所述基准电流生成电路通过两个运放钳位作用使所述电阻两端的电压v
top
、v
bottom
分别等于所述电阻两端连接的运放的输入电压v
ref1
、v
ref2
，通过电阻两端输入电压v
top
、v
bottom
的差值计算产生的基准电流。5.根据权利要求4所述的温度感知电路，其特征在于，所述ctat感温电压生成电路包括两个nmos管m5、m6和第一电流镜m1、m2，所述第一电流镜m1栅极连接所述基准电流生成电路，m2栅极与所述nmos管连接。6.根据权利要求4所述的温度感知电路，其特征在于，所述ptat感温电压生成电路包括两个pmos管m7、m8和第二电流镜m3、m4，所述第二电流镜m3漏极连接所述基准电流生成电路，m4漏极与所述pmos管连接。7.根据权利要求5所述的温度感知电路，其特征在于，所述第一电流镜用于通过m1将所述基准电流复制到m2所在支路，为所述ctat感温电压生成电路的nmos管m5、m6提供偏置电流，使得m5、m6工作在亚阈值区，m1、m2为pmos管。8.根据权利要求6所述的温度感知电路，其特征在于，所述第二电流镜用于通过m3将所述基准电流复制到m4所在支路，为所述ptat感温电压生成电路的nmos管m7、m8提供偏置电流，使得m7、m8工作在亚阈值区，m3、m4为nmos管。9.根据权利要求7所述的温度感知电路，其特征在于，所述ctat感温电压生成电路的nmos管m5、m6串联连接且m5、m6的宽长比相同。10.根据权利要求8所述的温度感知电路，其特征在于，所述ptat感温电压生成电路的pmos管m7、m8串联连接且m7、m8的宽长比相同。

技术总结
本说明书实施例提供了一种基于双环路钳位结构的温度感知电路，包括参考电压生成电路、基准电流生成电路、PTAT感温电压生成电路和CTAT感温电压生成电路；参考电压生成电路与基准电流生成电路连接，用于生成参考电压；基准电流生成电路为双环路钳位结构，包括两个运放，分别连接在电阻两端，对电阻两端电压进行钳位处理，通过电阻生成基准电流；通过基准电流对PTAT感温电压生成电路和CTAT感温电压生成电路进行偏置，PTAT感温电压生成电路和CTAT感温电压生成电路采用二极管堆叠结构实现PTAT电压和CTAT电压的一阶温度系数加倍。本发明提高了感温电路的分辨率，减小了电路面积，降低了感温电路的功耗。降低了感温电路的功耗。降低了感温电路的功耗。


技术研发人员：曾衍瀚 程杰 陈建华 黄文健
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/9/14