引言

溫度傳感器是工業(yè)界和生活中應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 感知溫度結構的三階 Sigma-delta ADC 溫度傳感器，僅用一個 PNP 晶體管對溫度作感知讀取，即可對溫度與電壓進行擬合。

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 架構和實現(xiàn)電路。第 3 部分給出了仿真測試結果。在文章的最后進行總結。

1 基于 BJT 的感溫電路

PN 結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進行工作的。記 PN 結的電壓為 VBE，結電壓差為 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 的兩個偏置電流支路的電流比，VT 定義如式（3）所示。

（3）

即 PN 結的電壓呈負溫度特性，PN 結的電壓差呈正溫度特性。

ADC 電路結合傳感器，利用比率計原理，可以構造出與溫度呈線性關系的電壓比值，構造形式如式（4）所示。

（4）

其中，記式（4）分母為 VREF，是帶隙基準電壓，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，如式（6）所示。

（6）

但該類型的溫度傳感器需要同時對 PN 結電壓和 PN 結電壓差進行采集，如果采用普通 CMOS 工藝，僅有襯底 PNP 類型可供使用，至少需要用到兩個襯底 PNP 同時感知溫度，對 PN 結電壓和結電壓差進行處理，才能同時擬合出溫度與電壓的關系。

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，同時控制兩者，以達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 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基準電壓作為參考電壓所帶來的感溫器件量多，電壓疊加復雜以及多溫度-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)結構和實現(xiàn)電路

本文設計中采用單個襯底 PNP 感知溫度的變化量作為待讀取量，溫度變化轉(zhuǎn)為 PN 結電壓的變化，溫度與電壓的關系由式（1）給出。接著，通過三階 Sigma-delta ADC 作為讀出電路，將 PN 結電壓模擬量轉(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聯(lián)。

（9）

（10）

各級積分器由跨導放大器和采樣電容、積分電容構成，具體電路如圖 1 所示。采用兩相不交疊時鐘控制。

由于單位量化器線性度非常高，因此，在設計中采用單位量化器對調(diào)制器的輸出進行量化。對于量化噪聲來說，Sigma-delta ADC 相當于高通濾波器。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 BJT 器件作感溫電壓用于后續(xù) Sigma-detla ADC 讀出電路讀取。進一步簡化傳統(tǒng)溫度傳感器的電路結構。具體電路如圖 2 所示。

其中 Q1、Q2、Q3 構成帶隙電壓基準的關鍵模塊，為整個溫度感知電路和后端的 ADC 讀出電路提供電壓基準和電流基準。Q4 單獨作為溫度感知電路。M4和運放構成增益自舉結構，能夠進一步提高輸出阻抗。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 結電壓值在所關心的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)的電壓在三階 Sigma-delta ADC 能夠正常讀取的范圍。

3 仿真測試結果

溫度感知電路的輸出電壓與溫度呈負相關關系。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）的關系式。

對輸出 Dout 關于 T 作線性擬合，其誤差為 +0.5/-0.36 ℃。在后端適當校準，能夠進一步減小誤差。

通過對輸出作二次函數(shù)校準，誤差減小至+0.07/-0.14 ℃，如圖 5 所示。

4 結語

本文提出一種基于單個襯底 PNP 實現(xiàn)溫度感知的溫度傳感器。通過 Sigma-delta ADC 實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。線性擬合時，能夠?qū)崿F(xiàn) +0.5/-0.36 ℃ 誤差，校準后能夠?qū)崿F(xiàn) +0.07/-0.14 ℃ 精度。

責任編輯：pj