用于无TEC红外成像系统的CMOS工艺集成温度传感器的制作方法

本发明涉及模拟集成电路领域，特别涉及一种可用于射频、数字模拟混合信号电路中，尤其是红外成像系统中，集成在芯片内部的小面积、低功耗温度传感器。

背景技术：

温度是工业生产中最常见和最基本的工业参数之一,是与人类的生活、工作关系最密切的物理量之一,也是各学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测量的物理量。从工业炉温、环境气温到人体温度，从空间、海洋到家用电器,各个技术领域都离不开测温,测温技术也是发展最快、范围最广的技术之一,对温度进行准确的测量和控制也成为工业生产和科学研究中的重要任务之一。

半导体材料的电学特性随温度变化而产生变化，在红外成像系统中，探测器利用红外辐射产生热量，进而引起的温度变化作为探测依据。因此温度对红外成像系统的重要性不言而喻。红外成像系统包括低温红外成像系统和常温红外成像系统。低温红外系统使用液氮将系统温度稳定在80K左右；在常温红外成像系统中，由于基底温度变化对探测器性能产生较大影响，通常需要使用半导体致冷器TEC(Thermo-Electric-Cooler)来保证红外探测器基底温度不产生较大变化。上述两种制冷的方法都会限制成像系统的体积和功耗，近年来，为了进一步降低功耗和体积，实现便携式应用，业界正在积极研究无TEC的红外成像系统方案。

然而无TEC的红外成像系统中红外探测器基底温度变化较大，输出会受到较大影响。因此需要使用温度传感器检测探测器和读出电路芯片上温度的变化，将温度变化信息传递到FPGA，通过FPGA产生反馈信号给集成电路，补偿由于环境温度变化导致的非理想效应。使用传统分立元件作为温度传感器时，检测的温度值并不是芯片基底上真实的温度值，因此，为了减小分立元件导致的检测误差，需要使用能够集成于读出电路芯片的温度传感器。此外，红外成像系统中读出电路芯片和探测器芯片上温度分布并不是均匀的。为了能更加真实的反映出芯片上温度分布的非均匀情况，需要使用多个集成温度传感器，分布在芯片各个位置。因此，需要使用面积小，功耗低的温度传感器。红外成像系统温度反馈的实现框图如图1所示。

技术实现要素：

为了解决传统分立元件温度传感器不能满足无TEC红外成像系统中要求准确检测探测器芯片基底温度的问题，本发明提出了一种用于无TEC红外成像系统的CMOS工艺集成温度传感器，增大了输出级带负载能力，提高了相应速度，节约了面积，在保证输出驱动能力的同时，降低了电路整体功耗。

本发明提出的一种用于无TEC红外成像系统的CMOS工艺集成温度传感器，包括温度检测电路，通过一偏置电路给所述温度检测电路供电，通过一输出级驱动电路将温度检测电路和输出隔离；所述偏置电路包含PMOS管MP1、PMOS管MP2和PMOS管MP3；其中，所述PMOS管MP1工作在饱和区，PMOS管MP1的栅极和漏极短接后连接到PMOS管MP2的源极产生共源极偏置电压V1；所述PMOS管MP2工作在线性区，所述PMOS管MP3工作在饱和区，PMOS管MP2和PMOS管MP3的栅极连接到PMOS管MP3的漏极，PMOS管MP2的漏极和PMOS管MP3的源极连接，产生共栅极偏置电压V2；所述温度检测电路包括由四个PMOS管构成的共源共栅电流镜和两个三极管，所述四个PMOS管分别记作PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6和PMOS管MP7，所述两个三极管记作三极管Q1和三极管Q2；所述PMOS管MP4与所述PMOS管MP6的源极均连接电源VDD，所述PMOS管MP4和PMOS管MP6的栅极均连接所述偏置电路的共源极偏置电压V1；所述PMOS管MP4的漏极连接PMOS管MP5的源极，所述PMOS管MP5和所述PMOS管MP7的栅极均连接所述偏置电路的共栅极偏置电压V2，所述PMOS管MP5的漏极连接三极管Q1的发射极，所述三极管Q1基极和集电极连接地GND；所述PMOS管MP7的漏极连接三极管Q2的发射极，所述三极管Q2基极连接三极管Q1的发射极，三极管Q2集电极连接地GND；所述输出级驱动电路包括四个PMOS管和两个NMOS管,四个PMOS管记作PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10和PMOS管MP11，两个NMOS管记作NMOS管MN1和NMOS管MN2；其中，PMOS管MP8和PMOS管MP9是共源共栅电流镜，PMOS管MP10和PMOS管MP11是输入对管，NMOS管MN1和NMOS管MN2是负载管；所述PMOS管MP10和PMOS管MP11及所述NMOS管MN1和NMOS管MN2的尺寸比列均为1：N。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过使用简化的偏置产生电路结构，减少了偏置电路部分MOS个数，简化了电路结构，降低了功耗。

(2)通过使用三极管串联实现等效的正偏二极管串联效果，相同温度变化时能获得2倍的电压变化，提高了检测精度。

(3)通过输出级运放的非对称设计，在保证输出驱动能力的前提下，减小了功耗。

(4)集成温度传感器能够更加准确的反应芯片基底温度变化，优于分立元件温度传感器。

(5)本发明通过简单的电路结构改变实现上述优点，没有增加电路复杂度，没有增加额外功耗和面积开销，具有很高实用价值。

附图说明

图1是红外成像系统温度反馈框图；

图2是本发明温度传感器原理图；

图3是PN结的I-V特性与温度的关系；

图4是本发明温度传感器输出电压随温度变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

为了解决传统分立元件温度传感器不能满足无TEC红外成像系统中要求准确检测探测器芯片基底温度的问题，本发明提出的一种用于无TEC红外成像系统的CMOS工艺集成温度传感器，可以节约面积降低功耗，参见附图1。由于标准CMOS工艺中二极管通常工作在反偏条件下，难以满足二极管正偏使用要求，本发明通过使用三极管串联的形式，等效的实现了二极管正偏串联的效果。利用正偏二极管温度特性检测温度，结果检测转化为模拟电压通过低功耗输出级输出。输出结果可以供系统参考来调节电路，稳定图像信号输出。

根据Shockley方程式可知，对于理想二极管，其正向导通电压V_f与电流密度J_f的关系为

$J_f=J_s\[\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_f}{kT}\right)-1\]---\left(1\right)$

其中，J_s为反向饱和电流密度，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。在室温条件下，有因此式(1)可化简为

$J_f=J_s\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_f}{kT}\right)---\left(2\right)$

二极管反向饱和电流密度可表示为

$J_s={\mathrm{CT}}^{3+\mathrm{\γ}/2}\exp (-\frac{E_g}{kT})---\left(3\right)$

其中，C为与温度无关的常数，γ为常数，E_g为硅的禁带宽度，若PN结的截面积为S_d，则通过PN结的电流I_f可表示为

$I_f=S_d{\mathrm{CT}}^{3+\mathrm{\γ}/2}\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_f-E_g}{kT}\right)---\left(4\right)$

当PN结工作在恒定电流偏置的条件下时，由式(4)可得

$\frac{\∂V_f}{\∂T}=\frac{V_f}{T}-(3+\frac{\mathrm{\γ}}{2})\frac{k}{q}-\frac{E_g}{qT}---\left(5\right)$

由式(5)可知，在恒定电流条件下，当温度变化较小时，PN结的正向导通电压与温度之间呈负温度系数的线性关系，也即当PN结温度升高时，其正向导通电压下降，如图1所示，其中T₂>T₁。在室温下工作的红外成像系统温度变化不会过大，可以认为此种情况下，恒定电流工作条件下，正向导通的PN结压降和温度近似为负温度系数的线性关系。

如图2所示，本发明用于无TEC红外成像系统的CMOS工艺集成温度传感器包括偏置电路，温度检测电路(包括共源共栅电流镜和温度检测核心电路)和输出级电路，通过所述偏置电路给所述温度传感器供电，通过所述输出级驱动电路将温度检测电路和输出隔离。通过偏置电路产生与温度基本无关的常数电流和共栅极偏置电压，通过温度检测电路将三极管连接成二极管形式，利用二极管温度特性获得负温度系数电压。最终通过输出级将信号电压输出。本发明提出的方法电路实现复杂度低，具有很高的实际应用价值。本发明通过简单的偏置电路供电，节约功耗和面积，通过输出级驱动电路将温度检测电路和输出隔离，减小后级电路对温度检测电路的影响。各电路的结构及其连接关系如下：

所述偏置电路利用电流产生温度检测电路中的共源共栅电流镜需要的共源极偏置电压V1和共栅极偏置电压V2。所述偏置电路包含PMOS管MP1、PMOS管MP2和PMOS管MP3；其中，所述PMOS管MP1工作在饱和区，PMOS管MP1的栅极和漏极短接后连接到PMOS管MP2的源极产生共源极偏置电压V1；所述PMOS管MP2工作在线性区，所述PMOS管MP3工作在饱和区，PMOS管MP2和PMOS管MP3的栅极连接到PMOS管MP3的漏极，PMOS管MP2的漏极和PMOS管MP3的源极连接，产生共栅极偏置电压V2。

所述温度检测电路包括由四个PMOS管构成的共源共栅电流镜和由两个三极管构成的温度检测核心电路，所述四个PMOS管分别记作PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6和PMOS管MP7，所述两个三极管记作三极管Q1和三极管Q2；所述PMOS管MP4与所述PMOS管MP6的源极均连接电源VDD，所述PMOS管MP4和PMOS管MP6的栅极均连接所述偏置电路的共源极偏置电压V1；所述PMOS管MP4的漏极连接PMOS管MP5的源极，所述PMOS管MP5和所述PMOS管MP7的栅极均连接所述偏置电路的共栅极偏置电压V2。两个三极管通过图2中的连接方式，等效实现两个正偏二极管串联的效果，图2中节点B对地等效为两个正偏的二极管串联。如图2所示，所述PMOS管MP5的漏极连接三极管Q1的发射极，所述三极管Q1基极和集电极连接地GND；所述PMOS管MP7的漏极连接三极管Q2的发射极，所述三极管Q2基极连接三极管Q1的发射极，三极管Q2集电极连接地GND；通过电流镜结构，给两个三极管Q1和三极管Q2提供恒定大小的电流I，三极管Q1和三极管Q2连接成二极管级联的形式，利用二极管电流特性在三极管Q2发射极得到与温度成反比的电压。

所述输出级驱动电路采用改进的五管运放结构，包括四个PMOS管和两个NMOS管,四个PMOS管记作PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10和PMOS管MP11，两个NMOS管记作NMOS管MN1和NMOS管MN2；其中，PMOS管MP8和PMOS管MP9是共源共栅电流镜，PMOS管MP10和PMOS管MP11是输入对管，NMOS管MN1和NMOS管MN2是负载管；所述PMOS管MP10和PMOS管MP11及所述NMOS管MN1和NMOS管MN2的尺寸比列均为1：N。通过非对称设计，增大了输出级带负载能力，提高了相应速度，减小了电路整体功耗，在保证输出驱动能力的同时，减小了功耗。

本发明提出的温度传感器电路采用的原理是恒定电流工作条件下，正向导通的PN结压降和温度近似为负温度系数的线性关系，如图3所示。电路实现上，通过电流镜的镜像电流在三极管Q1和Q2上产生恒定大小的电流，节点B对地等效为两个正偏二极管的串联，分别是三极管Q1的基极与发射极BE结，三极管Q2的基极与发射极BE结。当芯片温度变化时PN结电学特性变化，在BE结上产生相应的电压变化△V，节点B处电压变化为2△V。节点B电压经过输出级单位增益缓冲器驱动输出。如图4，Cadence Spectre工具仿真结果显示，在-10℃-60℃温度范围内，温度探测器输出电压温度系数约为4.29mV/℃。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。