专利名称：片上温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种片上温度传感器，特别是涉及一种高精度的片上温度传感器。
背景技术：
在现代生活中，温度信息的检测和监控一直是大家关注的焦点，尤其在食品、医疗、卫生等人们日常生活相关的领域更是必不可少，所以检测和控制温度的产品得到广泛的应用。同时温度传感器的产品种类同样繁多，如用于片外温度检测的热电偶，以及采用三极管的PN结的温度特性实现温度检测的片上温度传感器等。片外温度传感器的特点是具有更高的温度准确性，但是由于处于片外，缺点也很明显，就是要占用更大的面积，同时如果检测芯片内部的温度，那么诸如热电偶这样的片外温度传感器就无法得到应用，因为芯片在工作时，内部温度和外部温度相差很大，所以片上温度传感器就得到了较好的应用。因为片上温度传感器是在芯片上，可以实时监测芯片的温度，但是由于多数的温度传感器是采用PN结的温度特性来实现，并且PN结的温度特性受工艺，电压等影响，所以对于一般的结构，片上温度传感器的精度，尤其是不同芯片间的精度差别较大。在一般的片上温度传感器中，采用更加适合集成电路(IC)发展趋势的CMOS工艺。 但是在CMOS工艺中，不管是场效应晶体管，三极管还是电阻电容等，都存在着一定的不匹配，这些不匹配是造成不同芯片间输出差别的重要原因。
图1为现有技术中一种片上温度传感器的简化电路示意图。如图1所示，该片上温度传感器包括场效应管Ml M12、运算放大器II、三极管Ql Q3以及电阻R2，其中场效应晶体管Ml M12的尺寸是相同的，假设运算放大器Il没有失调电压(Vffi)，并且三极管和场效应晶体管都是匹配的，那么每一路的电流都是相同的，并且在运算放大器的作用下，它的两个输入端VN和VP的电压相同，根据三极管的基本电压电流公式可以得到Vbel = VTln(IPTAT/I0),Vbe2 = V1In (3Iptat/I0)，Vt = kT/q,其中，IO为饱和电流，并且IOa μ klV。所以可以得到Δ Vbe = Vbe2-Vbel = V1In (3),Δ Vbe的电压落在电阻Rl上，所以Iptatt = V1In (3) /R1,相应的可以得到
权利要求
1.一种片上温度传感器，包括一基本电路，其特征在于，该片上温度传感器还包括钳制放大电路，连接于该基本电路，其包括钳制运算放大器及电压钳制控制模块，通过该电压钳制控制模块实现对该钳制运算放大器两输入端电压的钳制，使该钳制运算放大器的两输入端电压工作在相同的电压下；以及动态元件匹配控制电路，连接于该基本电路，其至少包括动态元件匹配控制器及四路电流源，该动态元件匹配控制器在第三时钟信号控制下产生八个控制电平以控制该四路电流源，使该四路电流源中总有一路接输入负电压，而有三路连接在输入正电压。
2.如权利要求1所述的片上温度传感器，其特征在于该电压钳制控制模块包含第十九场效应晶体管、第二十场效应晶体管、第二十一场效应晶体管以及第二十二场效应晶体管，该第十九场效应晶体管源极及该第二十场效应晶体管漏极接输入负电压，该第二十一场效应晶体管漏极及该第二十二场效应晶体管源极接输入正电压，该第十九场效应晶体管漏极与该第二十二场效应晶体管漏极相连并连接至该钳制运算放大器的负输入端， 该第二十场效应晶体管源极与该第二十一场效应晶体管源极相连并连接至该钳制运算放大器的正输入端，该第二十场效应晶体管与该第二十二场效应晶体管的栅极由第一时钟信号控制，该第十九场效应晶体管与该第二十一场效应晶体管的栅极由第二时钟信号控制。
3.如权利要求2所述的片上温度传感器，其特征在于该输入负电压与输入正电压为该基本电路的感温电路的输出。
4.如权利要求3所述的片上温度传感器，其特征在于该第二时钟信号为该第一时钟信号的反相信号。
5.如权利要求4所述的片上温度传感器，其特征在于该钳制运算放大器还包括一偏置电流输入端及时钟输入端，该基本电路的第六十二场效应晶体管与第六十三场效应晶体管构成电流源为该钳制运算放大器提供偏置电流，该时钟输入端接该第二时钟信号。
6.如权利要求3所述的片上温度传感器，其特征在于于该钳制运算放大器中，第三十一场效应晶体管、第三十二场效应晶体管、第三十三场效应晶体管、第四十四场效应晶体管、第四十五场效应晶体管、第四十九场效应晶体管及第五十场效应晶体管构成电流镜， 第四十二场效应晶体管及第四十三场效应晶体管构成该钳制运算放大器的输入对管，第三十四场效应晶体管、第三十五场效应晶体管、第四十场效应晶体管及第四十一场效应晶体管构成负载，第三十六场效应晶体管与第三十八场效应晶体管、第三十七场效应晶体管与第三十九场效应管的栅极分别接该第二时钟信号与该第一时钟信号构成钳制控制开关， 第四十七场效应晶体管及第四十八场效应晶体管构成反相器。
7.如权利要求1所述的片上温度传感器，其特征在于该片上温度传感器还包括第二十三场效应晶体管、第二十四场效应晶体管、第二十五场效应晶体管、第二十六场效应晶体管、第二十七场效应晶体管、第二十八场效应晶体管、第二十九场效应晶体管及第三十场效应晶体管，其与感温电路的第一三极管、第二三极管及电阻构成动态元件匹配互换电路， 以消除感温电路中三极管之间、电阻之间的不匹配。
8.如权利要求7所述的片上温度传感器，其特征在于该第二十三场效应晶体管、该第二十五场效应晶体管、该第二十七场效应晶体管及该第三十场效应晶体管栅极接该第二时钟信号，该第二十四场效应晶体管、该第二十六场效应晶体管、该第二十八场效应晶体管及该第二十九场效应晶体管栅极接该第一时钟信号，在不同时刻，该些场效应晶体管在该第一时钟信号与该第二时钟信号的控制下轮流接在该输入正电压及该输入负电压的结点上。
9.如权利要求1所述的片上温度传感器，其特征在于该四路电流源由第十一至第十八场效应晶体管构成，其中，该第十一场效应晶体管与该第十二场效应晶体管组成一路， 该第十三场效应晶体管与该第十四场效应晶体管组成一路，该第十五场效应晶体管与该第十六场效应晶体管组成一路，该第十七场效应晶体管与该第十八场效应晶体管组成一路。
10.如权利要求9所述的片上温度传感器，其特征在于该动态元件匹配控制器包括第一 D触发器、第二反相器、第七反相器、第八反相器、第九反相器、第十反相器以及第三至第六与门，以由该第三时钟信号产生八个控制电平分别控制第十一至第十八场效应晶体管的栅极，以使该四路电流源总有一路接该输入负电压，而有三路接该输入正电压。
11.如权利要求9所述的片上温度传感器，其特征在于该第一D触发器时钟输入端接该第三时钟信号，负输出端与数据端接连接，该第三时钟信号及其反相时钟信号及该第一 D 触发器的输出端时钟信号两两组合分别输入至该第三至第六与门产生一组控制电平，该组控制电平经第七至第十反相器产生另一组控制电平。
12.如权利要求1所述的片上温度传感器，其特征在于该片上温度传感器还包括一微调电路，该微调电路包括第一至第十电阻以及第五十一至第六十一场效应晶体管，该第一至第十电阻首尾相连构成微调电阻，第五十一至第六十一场效应晶体管构成选择开关， 其栅电压由外部提供，漏极分别接在电阻串的不同位置，源极接在一起，在工作时，该第五十一至第六十一场效应晶体管只有一个导通。
13.如权利要求12所述的片上温度传感器，其特征在于该基本电路中的第九场效应晶体管与第十场效应晶体管构成电流源与该微调电路、第三三极管构成输出电压输出。
14.如权利要求1所述的片上温度传感器，其特征在于该片上温度传感器还包括一 R-C滤波网络以对该输出电压进行滤波。
15.如权利要求14所述的片上温度传感器，其特征在于该R-C滤波网络由η个电阻与η个电容构成，其中η > 1。
全文摘要
本发明公开一种片上温度传感器，包括基本电路；钳制放大电路，连接于该基本电路，包括钳制运算放大器及电压钳制控制模块，通过该电压钳制控制模块实现对该钳制运算放大器两输入端电压的钳制，使该钳制运算放大器的两输入端电压工作在相同的电压下；以及动态元件匹配控制电路，连接于该基本电路，至少包括动态元件匹配控制器及四路电流源，该动态元件匹配控制器在第三时钟信号控制下产生八个控制电平以控制该四路电流源，使该四路电流源中总有一路接输入负电压，而有三路连接在输入正电压，通过本发明，可以从根本上消除工艺的偏差造成的影响，使不匹配达到平均化的效果，最终使不同芯片之间的结果达到一致，同时可以降低噪声。
文档编号G01K7/00GK102494791SQ20111045729
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者张远, 皮常明, 范红梅 申请人:上海集成电路研发中心有限公司