基于误差消除技术的温度传感读出电路设计

陆 婷，冯 喆

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110000）

1 引 言

随着IC 技术的飞速发展，ADC 转换电路、通信接口电路等功能性电路可很好地集成在芯片内部，由此产生了当下流行的智能温度传感器。该器件减少了外围复杂电路模块，提高了集成度，可大大降低成本，便于批量生产，功耗与可靠性也较分立器件有更优表现。智能温度传感器在医疗设备、汽车电子、自动控制等领域的应用日益广泛，市场竞争力凸显。传感器读出电路是整个电路的核心模块，对电路起着决定性的作用，然而对其核心模块中的核心感温元件而言，温度特性的误差以及工艺偏差对于温度传感器读出电路的精度影响非常大，必须对这些误差进行校准，通过加入一些校准电路来减小这些非理想因素对精度的影响。在此主要讨论电流镜和运放失调引起的误差及对于这两个参数的误差校准技术，设计实现一个高精度的智能温度传感器读出电路。

2 ΔVBE 的产生及其误差

在标准CMOS 工艺下，通常采用两只衬底PNP晶体管作为感温元件。在不同的电流密度下，这两个晶体管各自的基极-发射极电压VBE之差具有良好的正温度特性，可作为衡量温度参考要素。通常，此电压差ΔVBE有几十毫伏大小，为了使ADC 对ΔVBE能够准确量化，需要对ΔVBE进行放大处理。由于CMOS 工艺下的差分放大器失调也处于毫伏量级，且伴有噪声干扰，会对温度测量造成误差。因此产生精确的ΔVBE和对ΔVBE精确放大是高精度温度传感器中的关键技术。

2.1 ΔVBE 产生原理

ΔVBE的产生原理如图1 所示。其中，图1(a)为传统ΔVBE产生电路；图1(b)则为运用DEM（Dynamic Element Matching，动态器件匹配）技术的ΔVBE产生电路。

图1 ΔVBE 产生原理电路图

当施加一定比例（1：p）的偏置电流时，两PNP管间的ΔVBE具有正温度系数，其非理想方程为[1]：

其中k 为波尔兹曼常量，q 为电子电荷，IS是双极型晶体管的饱和电流，IC为集电极电流，T 为温度。

要使ΔVBE具有良好的PTAT 特性，IC要远大于IS，但又不能太大，否则会产生自热效应、大注入效应等非理想效应，破坏PTAT 特性。所以要选取适当的偏置电流和PNP 管并联个数以产生较为理想的PTAT 电压 ΔVBE，将公式(1)简化为：

2.2 ΔVBE 的误差来源

电流镜镜像电流源并不是理想电流源，其有限的输出阻抗会使输出电流随输出电压变化。对此，可采用共源共栅结构，增加输出阻抗，如图2 所示。

图2 共源共栅结构电流源

图中，Rout为输出阻抗，对应的公式为:

其中 r01、r02、gm2、gmb2是分别是 MP1、MP2 的输出阻抗及跨导，可见共源共栅结构将输出阻抗提高了(gm2＋gmb2)r02倍[2]。

另一个重要的ΔVBE误差来源是电流镜的失配。在图1(a)所示的电路中，工艺上的偏差会导致电流镜失配，这些失配会导致比例因子p 产生大小为Δp的偏差，则式(2)变为:

式中ΔVBE的误差为：

3 误差消除技术

3.1 动态匹配技术

动态匹配（DEM）技术是一种低成本解决元件失配的方法[3]，采用此法可降低电流源失配造成的温度误差。DEM 本质上是一种平均误差数学算法，在图1(b)中，电流镜个数比为1：p，在时钟的控制下，每个时钟周期中在个数为p 的电流镜中轮流拿出一支与个数为1 的电流镜交互替换，可与其交替的支数越多，消除的匹配误差越大[4]。

由工艺偏差可知，每次电流镜相互替换形成1:p时，所造成的ΔVBE偏差是不同的，可用下式表示：

p+1 种组合所产生的ΔVBE平均值为：

由此，ΔVBE变为：

3.2 斩波稳定技术

理想情况下，运放的输入为零时，输出也应为零。但是由于工艺偏差，原本对称的差分级晶体管会体现出不完全相同的电气特性，导致运放两输入为零时输出并不为零的情况。此时如果存在一个输入电压VOS能令输出电压为零，则该电压VOS可称为输入失调电压。

失调消除技术主要有斩波稳定、自动调零、相关双采样等技术，皆以降低运放的非理想效应对虚地端的影响为目的，通过降低运算放大器的输入失调和低频噪声（主要是1/f 噪声），改进运算放大器的动态范围。

斩波稳定（Chopper Stabilization,CHS）技术是E.A.Goldberg 在 1948 年提出的[6]。CHS 不同于自动调零技术，先调零再将输入信号采样和放大，而是使用调制技术将需要放大的输入信号Vin(t)乘上一个高频方波调制信号，将低频噪声及失调调制到高频，之后通过一个低通滤波器将它们完全滤掉[7]。在理想情况下，斩波技术能够完全消除掉直流失调以及低频段1/f 噪声。CHS 的具体原理如图3 所示。

图3 斩波技术原理图

图3 中的输入信号Vin(t)经第一次调制再经放大器后得到的信号V1(t)可表示为：

由式(9)可知，输入信号Vin(t)被调制到高频斩波频率的奇数次项。各节点波形如图4 所示。

图4 斩波放大器各节点波形

信号V1(t)在经解调后得到的信号V2可表示为:

由式(9)和式(10)可见，信号 V1(t)经 m2(t)解调后仍然处在m2(t)的奇数谐波处，将失调电压和输入噪声调制到高频处，可以借助于一个低通滤波器，只留下低频输入信号。

4 应用斩波技术的开关电容式放大器

实际产生的ΔVBE在几十毫伏数量级，虽然具有正温度特性，但每摄氏度几毫伏的变化量过于微弱，会使后级ADC 模块设计难度增高。综合考虑各种因素后，需将ΔVBE进行放大。为在放大过程中降低噪声、失调等因素的影响，设计一款应用斩波技术的开关电容式全差分放大器。器件整体结构如图5 所示。基于高精度温度传感器要求，通过时序控制引入可修调基准电压Vref，使ΔVBE正温度特性曲线做上下微移，可使后级ADC 能够准确量化各温度所对应的数字码。

图5 开关电容放大器整体结构

电路工作时序及波形图如图6。各阶段对应的等效电路如图7 所示。

图6 电路工作时序波形

图7 等效电路

在流片后可通过修调VREF1值来使得温度特性曲线上下微移，实现与ADC 量化阶梯校准的功能。

全差分运放采用两级结构，主运放采用大尺寸PMOS 管为输入管，既能降低工艺失调，又能因其沟道载流子为空穴而降低热噪声对运放的影响[8]。在两级运放输出之间使用米勒补偿，使运放具有足够的相位裕度和稳定性。经仿真实验得到的频率特性仿真结果如图8 所示。仿真输出波形如图9 所示。

图8 频率特性仿真结果图

图9 运放输出波形仿真结果图

将运放输出电压与理论计算值进行对比，误差如图10 所示。可见差值在50μV 左右，误差小于0.5个LSB，能够实现对感温电压ΔVBE的精确放大。

图10 运放输出电压与理论计算值误差

5 结束语

基于对动态匹配技术和斩波稳定技术相关知识的简介，运用DEM 技术，设计一款应用斩波技术的开关电容式全差分运算放大器。在两级结构中，第二级采用增益自举结构以达到足够的增益。仿真结果表明，可实现的增益为101.1 dB，单位增益带宽为7.9 MHz，相位裕度达98.3°，满足设计目标。仿真值与理想值的对比也表明该放大电路能够精确放大感温信号，误差在100μV 之内，满足实际应用的需要。