数字温度传感器(DTS)是一种将温度实时转化为可读取式二进制编码的电路。数字温度传感器在集成电路芯片温度监测中起着至关重要的作用,能够预防高温对芯片造成不可逆转的损坏。近年来,随着大规模集成电路的飞速发展与制造工艺的日趋精进,温度传感器的精度越来越高,商业应用越来越广泛。然而在手机芯片应用中,当前的温度传感器能满足高精度要求,但是由于芯片内部温度变化非常快速(50μs/℃),不能满足实时检测要求,因此实时获取准确的温度数值是温度传感器芯片亟待解决的关键问题,实现实时性和准确性兼具的DTS电路结构是十分必要的。本文针对高精度和高实时性的应用需求,基于22nm FinFET的先进工艺技术,开展了数字温度传感器的电路设计和版图设计工作。本文首先实现了带隙基准和sigma-delta ADC两个关键模块,然后从顶层电路方面提升相关性能。为了实现DTS的高精度性能,研究中首先选取了电阻高阶补偿的带隙基准电路结构,和可覆盖电压值变化范围的电阻调节电路,其次选用改进比较器输出电阻的一阶sigma-delta ADC结构,最后引入了参数offset和参数slope以修正温度公式。同时为了兼顾高速度实时性特性,采用并行模拟电路结构和自我校准电路结构,减小了计数器处理时间,增加了时钟分频控制休眠时间的模式以减小功耗。本文在兼顾高精度和实时性的基础上,使用先进的22nm FinFET工艺,最终设计出一个10位二进制编码输出的DTS电路。论文从系统结构、电阻高阶补偿、改进输出电阻、两相非重叠时钟、自我校准电路、公式校准、休眠模式等方面开展研究,完成了DTS电路的电路仿真设计、版图设计与实现及芯片流片与测试验证工作。本文设计的DTS电路在默认40MHz时钟条件下,实现了转换时间在20μs以内、温度分辨率为1℃和误差率±3℃的研究目标。根据高精度特性的验证结果,设计的DTS电路首先在带隙基准的电阻高阶补偿下,能够将温度系数控制在27ppm以下;然后通过覆盖±300mV变化范围的调节电阻电路,保证输出电压稳定在0.9V;其次将比较器的增益提高至105dB以提高DTS分辨率;修正后的公式得到了误差在±3℃以内的温度输出编码。根据实时特性的验证结果,设计的DTS电路通过并行输入电路和自我校准模式减少转换时间至16.5μs。综上所述,本文所设计的DTS电路能够良好地兼顾高精度特性和实时特性,在采用1.8V模拟电压与0.9V数字电压供给的基础上,最终实现的BJT和DTS主体模块的版图面积分别为23.22μm×48.20μm和99.54μm×159.84μm。