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[摘 要]温度传感器的主要性能指标包括：分辨率、精确度、线性度、转换速率、功耗以及面积等。作为CMOS温度传感器核心的温度感应电路以及模数转换器决定了整体温度传感器的分辨率、精确度、线性度、转换速率、功耗以及面积等特性。目前主流的CMOS温度传感器均采用CMOS纵向寄生双极型晶体管（BJT）作为温度传感器的核心感温器件，本文也是如此，但是受到CMOS工艺下寄生双极型晶体管（BJT）自身的性能的限制，CMOS温度传感器还无法达到较高的精度。
[关键词]COMS;温度传感器;校准;仿真
中图分类号：TN432 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）28-0341-01
本文分析了CMOS温度传感器整体电路的校准，接着给出温度传感器的整体电路的性能仿真结果，包括精度、功耗等仿真结果，最后对本文所设计的CMOS温度传感器的性能进行了小结。
一，COMS温度传感器整体电路的校准
本文将首先推导trimming电路中的trimming电阻与最终的输出μ之间的关系，然后利用该关系式来求出不同的工藝角下的trimming电阻的大小，然后求出各工艺角所对应的trimming电阻的S4-S0的二进制编码。最后将该二进制编码输入到温度传感器中，再进行温度传感器的精度仿真，通过精度是否达到设计指标来检验本文的校准技术是否有效。
本设计所用的修调电路的虚线框中电路的衬底寄生双极型PNP晶体管偏置在电流下，一个与同种材料的可编程电阻串联在PNP晶体管的发射极，则上的压降为PTAT电压：
，其中，m是产生的电流密度比。本文的设计中p=m=3，因此可以获得公式：。公式中可确定修调电阻的值，在确定了的阻值之后，需要确定所對应的S4-S0的编码，为了使得本文的trimming电路简单易行，本文将不需要校准（本文选择典型工艺角（tt，bjt_tt，res_tt，3.3V电源）下的温度传感器不需要校准）时的的值人为的设置为总trimming电阻的16/32，其所对应的S4-S0的编码为10000，这样的话在利用式计算出之后，需要再加上总trimming电阻的16/32就是本设计实际所使用的trimming电阻，进而可知利用式计算出的对应到本文的设计中所对应的S4-S0的编码的十进制，获得以下公式：。基于此分析，本文计算出了本文所设计的温度传感器在SMIC的0.18μm工艺下的135种不同PV（工艺角-电源电压）组合下的以及其所对应的S4-S0的编码。相关分析数据可得：不受电源电压波动的影响;此外，所得到的被BJT的工艺角有规律的分成了三组，具体表现为：所有的PV组合中包含工艺角bjt_tt的几乎相同，所对应的S4-S0的编码也几乎相同;所有的PV组合中包含工艺角bjt_ss的几乎相同，所对应的S4-S0的编码也几乎相同;所有的PV组合中包含工艺角bjt_ff的几乎相同，所对应的S4-S0的编码也几乎相同。
二，COMS温度传感器的整体电路的仿真
1，温度传感器的精度仿真
温度传感器的仿真过程为：
1）在典型工艺角（tt，bjt_tt，res_tt，3.3V电源）下，在S4-S0依次输入高低电平为10000，接着在给定的温度下完成一次转换，并记录下转换的结果Data[10：0]，并将该结果所对应的二进制转化成十进制数。
2）重复1的步骤，直到得到足够多的温度和对应输出为止，在本文的仿真中是在-40℃到125℃的温度范围内每隔20℃进行一次转换。
3）利用步骤2中得到的温度与温度传感器输出的对应关系，得到该温度传感器的转换曲线：。该转换曲线将作为整个温度传感
器的唯一的温度转换曲线，并以其为标准进行温度传感器的校准。
4）改变仿真环境下的PV（工艺角-电源电压）组合，将相应PV组合下的对应的S4-S0依次输入到温度传感器中，重复第1步骤和第2步骤。
5）将4步骤结束后所得到的温度与温度传感器输出的对应关系与步骤3所得到的唯一的温度转换曲线作对比，计算出温度误差。
6）重复第4、5步骤直到所有的PV组合都仿真过一遍为止。
图1给出了典型工艺角（tt，bjt_tt，res_tt，3.3V电源）下的温度传感器的数字输出与温度之间的关系，并利用直线拟合出了温度传感器的转换曲线，其转换曲线为：。
图1，典型工艺角（tt，bjt_tt，res_tt，3.3V电源电压）下的温度传感器的数字输出与摄氏温度之间的关系
结合常见的几种PV组合下可以看出，未经校准时温度传感器的误差为±3℃，而且可以明显的观察到包含bjt_ss或者bjt_ff的PV组合下的温度误差是一个近似PTAT的误差;经过校准之后温度传感器的误差小于±0.42℃。此外通过对所有的PV组合下的温度传感器进行仿真发现，经过校准后的温度传感器的误差都小于±0.42℃，由此得，本文所设计的温度传感器的精度可达±0.42℃。
2，温度传感器的功耗仿真
本文利用PD信号来进行温度传感器在不工作状态下和正常工作状态的的功耗的仿真，结合典型PV组合（tt，bjt_tt，res_tt，27℃，3.3V电源电压的）下的温度传感器的不工作状态下的泄露电流以及正常工作时所消耗的电流。典型情况下本文所设计的温度传感器的泄露电流为83nA，正常工作时消耗的电流约为200μA。本文结合几种典型PV组合下的温度传感器的泄露电流以及正常工作电流，典型情况下温度传感器的功耗大约为3.3*210u≈693μW。
结语
本文采用的时钟周期是15Khz，转换一次需要2064个时钟周期，因此本文所设计的CMOS温度传感器的转换周期是16.512ms，进而可知本文的CMOS温度传感器的转换速度约为60SPS。另外，本文利用11位的ADC对-40℃到125摄氏度的温度范围内的温度进行量化，在ADC的输入动态范围的利用率是80%的情况下，可以估算出本文所设计的CMOS温度传感器的灵敏度是165/（211*0.8）=0.1℃。
参考文献
[1] 林赛华等，新型全CMOS片上温度传感器设计[J]，半导体学报，2006，03.
[2] 林荣等，新型低功耗CMOS片上温度传感器设计[J]，传感技术学报，2011，07.
[关键词]COMS;温度传感器;校准;仿真
中图分类号：TN432 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）28-0341-01
本文分析了CMOS温度传感器整体电路的校准，接着给出温度传感器的整体电路的性能仿真结果，包括精度、功耗等仿真结果，最后对本文所设计的CMOS温度传感器的性能进行了小结。
一，COMS温度传感器整体电路的校准
本文将首先推导trimming电路中的trimming电阻与最终的输出μ之间的关系，然后利用该关系式来求出不同的工藝角下的trimming电阻的大小，然后求出各工艺角所对应的trimming电阻的S4-S0的二进制编码。最后将该二进制编码输入到温度传感器中，再进行温度传感器的精度仿真，通过精度是否达到设计指标来检验本文的校准技术是否有效。
本设计所用的修调电路的虚线框中电路的衬底寄生双极型PNP晶体管偏置在电流下，一个与同种材料的可编程电阻串联在PNP晶体管的发射极，则上的压降为PTAT电压：
，其中，m是产生的电流密度比。本文的设计中p=m=3，因此可以获得公式：。公式中可确定修调电阻的值，在确定了的阻值之后，需要确定所對应的S4-S0的编码，为了使得本文的trimming电路简单易行，本文将不需要校准（本文选择典型工艺角（tt，bjt_tt，res_tt，3.3V电源）下的温度传感器不需要校准）时的的值人为的设置为总trimming电阻的16/32，其所对应的S4-S0的编码为10000，这样的话在利用式计算出之后，需要再加上总trimming电阻的16/32就是本设计实际所使用的trimming电阻，进而可知利用式计算出的对应到本文的设计中所对应的S4-S0的编码的十进制，获得以下公式：。基于此分析，本文计算出了本文所设计的温度传感器在SMIC的0.18μm工艺下的135种不同PV（工艺角-电源电压）组合下的以及其所对应的S4-S0的编码。相关分析数据可得：不受电源电压波动的影响;此外，所得到的被BJT的工艺角有规律的分成了三组，具体表现为：所有的PV组合中包含工艺角bjt_tt的几乎相同，所对应的S4-S0的编码也几乎相同;所有的PV组合中包含工艺角bjt_ss的几乎相同，所对应的S4-S0的编码也几乎相同;所有的PV组合中包含工艺角bjt_ff的几乎相同，所对应的S4-S0的编码也几乎相同。
二，COMS温度传感器的整体电路的仿真
1，温度传感器的精度仿真
温度传感器的仿真过程为：
1）在典型工艺角（tt，bjt_tt，res_tt，3.3V电源）下，在S4-S0依次输入高低电平为10000，接着在给定的温度下完成一次转换，并记录下转换的结果Data[10：0]，并将该结果所对应的二进制转化成十进制数。
2）重复1的步骤，直到得到足够多的温度和对应输出为止，在本文的仿真中是在-40℃到125℃的温度范围内每隔20℃进行一次转换。
3）利用步骤2中得到的温度与温度传感器输出的对应关系，得到该温度传感器的转换曲线：。该转换曲线将作为整个温度传感
器的唯一的温度转换曲线，并以其为标准进行温度传感器的校准。
4）改变仿真环境下的PV（工艺角-电源电压）组合，将相应PV组合下的对应的S4-S0依次输入到温度传感器中，重复第1步骤和第2步骤。
5）将4步骤结束后所得到的温度与温度传感器输出的对应关系与步骤3所得到的唯一的温度转换曲线作对比，计算出温度误差。
6）重复第4、5步骤直到所有的PV组合都仿真过一遍为止。
图1给出了典型工艺角（tt，bjt_tt，res_tt，3.3V电源）下的温度传感器的数字输出与温度之间的关系，并利用直线拟合出了温度传感器的转换曲线，其转换曲线为：。
图1，典型工艺角（tt，bjt_tt，res_tt，3.3V电源电压）下的温度传感器的数字输出与摄氏温度之间的关系
结合常见的几种PV组合下可以看出，未经校准时温度传感器的误差为±3℃，而且可以明显的观察到包含bjt_ss或者bjt_ff的PV组合下的温度误差是一个近似PTAT的误差;经过校准之后温度传感器的误差小于±0.42℃。此外通过对所有的PV组合下的温度传感器进行仿真发现，经过校准后的温度传感器的误差都小于±0.42℃，由此得，本文所设计的温度传感器的精度可达±0.42℃。
2，温度传感器的功耗仿真
本文利用PD信号来进行温度传感器在不工作状态下和正常工作状态的的功耗的仿真，结合典型PV组合（tt，bjt_tt，res_tt，27℃，3.3V电源电压的）下的温度传感器的不工作状态下的泄露电流以及正常工作时所消耗的电流。典型情况下本文所设计的温度传感器的泄露电流为83nA，正常工作时消耗的电流约为200μA。本文结合几种典型PV组合下的温度传感器的泄露电流以及正常工作电流，典型情况下温度传感器的功耗大约为3.3*210u≈693μW。
结语
本文采用的时钟周期是15Khz，转换一次需要2064个时钟周期，因此本文所设计的CMOS温度传感器的转换周期是16.512ms，进而可知本文的CMOS温度传感器的转换速度约为60SPS。另外，本文利用11位的ADC对-40℃到125摄氏度的温度范围内的温度进行量化，在ADC的输入动态范围的利用率是80%的情况下，可以估算出本文所设计的CMOS温度传感器的灵敏度是165/（211*0.8）=0.1℃。
参考文献
[1] 林赛华等，新型全CMOS片上温度传感器设计[J]，半导体学报，2006，03.
[2] 林荣等，新型低功耗CMOS片上温度传感器设计[J]，传感技术学报，2011，07.