一种CMOS温度传感器输出误差的数字校正方法_于博文.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202301007January2023Semiconductor Technology Vol48 No143一种 CMOS 温度传感器输出误差的数字校正方法于博文1，俞若愚2，尹飞飞1，刘兴辉1，*(1 辽宁大学 物理学院，沈阳110036;2 成都华微电子科技股份有限公司，成都610041)摘要:针对 CMOS 温度传感器模拟校正方法需额外增加校正器件，而数字校正方法存在精度偏低的问题，提出了一种新的适用于 CMOS 温度传感器的数字校正方法。对 CMOS 温度传感器的传输函数进行推导，得到温度传感结果与数字电路的关系。根据传输函数，对温度传感器数字电路中的计数器及状态机的参数进行修调，通过改变计数周期个数及计数初值达到校正电路的增益误差及失调误差的目的，得到温度传感器的测温结果。仿真及实测结果表明，采用所提出的校正方法设计的温度传感器，在55125，测温误差小于 1.04，满足高精度应用需求。关键词:温度传感器;数字校正;传输函数;计数器;状态机中图分类号:TN792文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01004305A Digital Calibration Method for Output Error ofCMOS Temperature SensorsYu Bowen1，Yu uoyu2，Yin Feifei1，Liu Xinghui1，*(1 School of Physics，Liaoning University，Shenyang 110036，China;2 Chengdu Sino Microelectronics Technology Co，Ltd，Chengdu 610041，China)Abstract:For CMOS temperature sensor，analog calibration method requires additional correctiondevices，and the digital calibration method has the problem of low accuracy A new digital correctionmethod for CMOS temperature sensor was proposed By deriving the transfer function of the CMOS tem-perature sensor，the relationship between temperature sensing result and the digital circuit was obtainedThen，according to the transfer function，the parameters of counter and state machine in digital circuit ofthe temperature sensor were adjusted By changing the number of counting cycles and the initial value ofcounting to correct the gain error and offset error，and the temperature measurement results of the tem-perature sensor were obtained Simulation and measurement results show that the temperature sensorusing the proposed calibration method has a temperature measurement error less than 1.04 at 55125，which can meet the requirements of high accuracy applicationsKeywords:temperature sensor;digital calibration;transfer function;counter;state machine基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(2021MS148)EEACC:1265H0引言温度传感器作为开发最早、应用最广的一种传感器件，在科技、医疗、农业等领域都有着广泛的应用。基于 CMOS 工艺的片上集成温度传感器集成了温度传感电路和信号处理电路，具有低成本、低功耗的优点。但在芯片制造时，由于工艺偏差等非理想因素的限制，CMOS 温度传感器比传统温度传感器的测温范围窄、精度差，通常需要增加校正电路以有效消除非理想因素，进而保证 CMOS 温度传感器的测温精于博文等:一种 CMOS 温度传感器输出误差的数字校正方法=44半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月度。通常采用模拟校正技术和数字校正技术对温度传感器进行校正。但是模拟校正技术需采用可编程技术，会在电路中增加很多双极晶体管和电阻。廖望等人 1 为消除误差，在模拟电路中加入多个电流镜和开关。韦钰等人 2 为减小误差，在电路中引入了多个校正电阻及开关。引入模拟器件会使模拟电路的设计难度增加 3，且仍需在外围加入寄存器、熔丝电阻等。张艳飞等人 4 采用了对数字电路进行校正的技术，在量化区间的中间设置了一个数据区间，将下次比较得到的结果叠加上去，得到一个确定的数据，完成数字校正，其精度达到2.2，但并不能满足目前的高精度温度传感器的要求。基于此，本文提出了一种针对 CMOS 温度传感器的数字校正技术，可极大地减小电路设计难度并免除多余的模拟器件，只对最终的模数转换器(ADC)输出进行校正即可实现所要求的精度。1CMOS温度传感器的传输函数温度传感器的工作机制是获取与温度相关的模拟信号，通过 ADC 将其转换为数字信号，并通过数学换算得到温度读数5。温度转换电路采用开关电流镜加衬底双极结型晶体管来实现6，首先在偏置电路使用一组面积比为 p 1 的双极结型晶体管产生一个与温度成正比(PTAT)的电流，再将电流复制至感温电路，再使用动态元素匹配(DEM)技术控制流向衬底双极结型晶体管的电流，产生有正温度系数的电压 VBE+和有负温度系数的电压 VBE，这两个电压在-ADC的电容求和网络中经运算产生一个与温度相关的传输函数。该电路的设计框图如图 1 所示。图 1温度转换电路框图Fig.1Block diagram of the temperature conversion circuit温度传感器感受到外部温度后，对温度信号进行传输、运算和校正并得到数字输出码 DOUT，可以用一次函数表示为3 DOUT=A+B(1)式中:A、B 为常数;为-ADC 的输出脉冲密度。-ADC 以脉冲密度调制形式实现输入量化，脉冲的密度代表了一段时间内的信号平均值7。在积分次数足够多时，量化误差减小，使得流入积分器的正电荷的量与负电荷的量相同3，因此-ADC 的输出脉冲密度能够反映温度的变化。经过多个周期的积分得到的脉冲密度与温度相关。通过添加计数器和状态机可获取脉冲密度。计数器负责对-ADC 输出的数字脉冲进行计数，得到一个转换周期中-ADC 输出的高电平脉冲的个数，因此计数器的输出值即为该转换周期内温度的对应值8。除了高电平脉冲个数，总工作周期个数也是计算脉冲密度的关键，因此添加状态机，当达到设定的周期时，状态机输出的状态个数就是总工作周期个数。假设-ADC 输出中有 M 个高电平和N 个低电平，计数器对 ADC 的高电平脉冲计数，得到 M，状态机反映整个温度传感器的工作周期个数，得到 M+N，高电平脉冲占整个工作周期个数的比率即脉冲密度 就反映了温度，即=MM+N(2)在温度传感器感受到温度并产生与温度相关的电流、电压后，对-ADC 中的电荷量进行分析。比较器会控制输入积分器的电压。根据 PTAT 电流数字码转换电路(图 2)和积分器的不同工作状态(图 3)，在不同的电流和电压条件下进行讨论。图中 m 为动态匹配电流镜个数，n 为比较器控制的输入开关电容电路的电压传输门个数，需根据具体电路设计来确定。积分器的单端采样电容为C1，积分器的单端积分电容为 C2。图 2PTAT 电流数字码转换电路Fig.2PTAT current-digital code conversion circuit于博文等:一种 CMOS 温度传感器输出误差的数字校正方法=January2023Semiconductor Technology Vol48 No145(a)比较器输出为高电平(b)比较器输出为高电平时积分器的积分工作时积分器的采样工作模式模式(c)比较器输出为低电平(d)比较器输出为低电平时积分器的积分工作时积分器的采样工作模式模式图 3积分器的不同工作状态Fig.3Different operating states of the integrator在比较器输出为高电平时，流入积分器的电荷量 QH为QH=VBE，HC1=nC1VBE(m2)(n 1)C1VBE(m2)=nVBE(m2)(n 1)VBE(m2)C1(3)式中 VBE(m2)为比较器输出高电平时的输入电压。在比较器输出为低电平时，流入积分器的电荷量QL为QL=VBE，LC1=nC1VBE1 nC1VBE(m1)=nVBE1 nVBE(m1)C1(4)式中 VBE(m1)和 VBE1为比较器输出低电平时的输入电压。为了将得到的电平信号转换为代表温度的数字码，采用计数器对比较器输出的高电平进行计数，再利用状态机控制计数器的复位和停止，因此状态机的总工作周期个数即为计数器的工作总电平个数。当积分次数足够时，流入积分器的正、负电荷相等，根据电荷守恒定律，电荷存储量为2C1(MVBE，H+NVBE，L)=0(5)根据式(5)及积分器不同工作状态下流入的电荷量，可推导得到2C1 M(nVBE(m2)(n 1)VBE(m2)+N(nVBE1 nVBE(m1)=0(6)令 VBE1 VBE(m1)=VBE(m1)(7)代入式(6)中，并消去 C1得到MN=nVBE(m1)VBE(m2)(8)根据式(8)，推导出 为=MM+N=nVBE(m1)VBE(m2)+nVBE(m1)(9)根据式(1)，本文温度传感器的传输函数为DOUT=MM+N(M+N)Bweight+T0(10)式中:Bweight为计数器最低位的权重，即温度传感器的分辨率，(M+N)Bweight即式(1)中的 A;T0为初始温度所对应的数字码。根据式(10)所得到的数字码即可推导出所测的温度。由式(10)可见，调整 T0或更改 ADC 输出信号的总周期个数(M+N)也能消除误差。2误差校正原理温度传感器要求输出结果与实际温度呈正比例函数，但由于增益误差的存在，电路的输出斜率并不为 1。根据式(10)可以看到:对温度传感器增益误差的修正，可以通过对状态机总周期数的校正来实现。当斜率发生偏移时，令式(10)中的(M+N)Bweight=1，计算出(M+N)的值，可使增益误差得以校正。而对于失调误差，可在对增益误差进行校正后重新测量温度，得到初始值的校正值，达到校正失调误差的目的。2.1周期校正原理根据式(10)可看出对周期个数(M+N)进行增减可以对测温结果进行校正。状态机控制着计数器的复位和工作周期个数，当计数器的总计数个数达到状态机所设定的周期时，状态机会将计数器复位，因此状态机的总周期个数就是计数器的计数总工作周期个数，即式(10)中的(M+N)。由于状态机控制 ADC 转换的总工作周期个数，状态机初始值改变，会使 ADC 转换的总工作周期个数发生改变，引起 的改变，从而实现对增益误差的校准。对温度传感器进行封装后，由于-ADC 的误差主要来自于器件的不匹配9，加工过程中由工艺漂移引入的器件参数变化，以及封装过程的机于博文等:一种 CM