应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，采用双极型晶体管与MOS管作为温感元件，通过Sigma

【技术实现步骤摘要】
应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器


[0001]本专利技术涉及MEMS时钟、温度传感器
，具体涉及一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器。更具体地，涉及一种基于双极型晶体管与亚阈值MOSFET的混合型低功耗温度传感器电路。

技术介绍

[0002]频率基准源作为电子系统的“心脏”，广泛应用于无线通信和可穿戴设备中。MEMS(Micro
‑
electro
‑
mechanical Systems)振荡器因品质因素、短期稳定性、长期稳定性以及扩展的频率范围方面等方面的优势而成为频率基准源的重要发展方向。
[0003]然而MEMS振荡器的温度稳定性较差，限制了其输出参考频率的稳定性。为了使MEMS振荡器在期望的温度范围内提供稳定的参考频率，需要高分辨率和高转换速率的温度传感器来测量片上温度。
[0004]FBAR振荡器相比石英晶体振荡器具有多种优势，但是其温度稳定性不如石英晶体，因此要实现高温度稳定性就必须引入温度传感器进行温度补偿。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和不足，本专利技术提出了一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，在满足低功耗、小体积的要求上提高测温精度和分辨率，适用于MEMS时钟应用。
[0006]本专利技术提供了一种用于MEMS时钟温度补偿的精密CMOS温度数字转换器(TDC)及其实现方案，该电路采用双极型晶体管与MOS管作为温感元件，通过Sigma
‑
Delta ADC将温度前端电路输出的与温度相关的模拟电压量转换为数字输出D
OUT
。温度前端电路基于MOSFET亚阈值温度特性进行设计，避免了电阻元件的使用，有效降低了电路静态功耗。由于本方案温度前端电路直接输出与双极型晶体管V
BE
负温度系数电压温度系数大小相同、相反极性的正温度系数(PTAT)电压，ADC中正温度系数电压V
PTAT
与负温度系数电压V
BE
采样电容直接采用单位采样电容，有效减小了芯片面积。此外，该TDC采用了动态偏置比较器与互补结构T型开关，进一步提高了能源利用效率。该温度传感器电路分为温度前端电路、15bit二阶Sigma
‑
DeltaADC、时序产生电路三个模块。该传感器用于MEMS时钟温度补偿模块，为其提供高精度、高分辨率的温度信息，该结构针对温度传感器功耗进行了优化，其小体积低功耗特性使其适用于MEMS时钟应用。
[0007]为实现上述目的，本专利技术具体采取如下技术方案：
[0008]一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于，包括：温度前端电路、15bit二阶Sigma
‑
DeltaADC和时序产生电路；
[0009]所述温度前端电路，用于提供与温度分别呈正相关和负相关的模拟电压量；
[0010]所述15bit二阶Sigma
‑
DeltaADC，用于处理由温度前端电路产生的与温度相关的电压信号，输出一个包含温度信息的脉冲宽度调制信号；
[0011]所述时序产生电路，提供Sigma
‑
DeltaADC中用于控制采样保持电路的非交叠时
钟。
[0012]进一步地，所述的温度前端电路包括：启动电路、纳安级亚阈值电流偏置电路、CTAT电压产生电路以及PTAT电压产生电路；
[0013]所述启动电路用于消除每条支路电流为零的情况；保证电路上电后可快速进入正常工作状态。
[0014]所述亚阈值电流偏置电路，用于提供精准的偏置电流给CTAT电压产生电路以及PTAT电压产生电路，输出为一个与温度正相关的电流；
[0015]所述CTAT电压产生电路，用于产生与温度呈负相关的电压V
BE
；
[0016]所述PTAT电压产生电路，用于提供一个与温度正相关的电压。
[0017]进一步地，所述亚阈值电流偏置电路利用工作在亚阈值区的MOS管，产生与温度正相关的偏置电流，为双极性晶体管与PTAT电压产生电流提供偏置电流，以减小V
BE
的温度非线性。
[0018]进一步地，所述CTAT电压产生电路，利用二极管连接的双极型晶体管的温度特性产生与温度负相关的电压V
BE
。
[0019]进一步地，所述PTAT电压产生电路，利用工作在亚阈值区的MOS管的电流特性，产生与温度正相关的电压；
[0020]并通过多级类差分PTAT电压产生电路并联的形式，得到一个与V
BE
的负温度特性相抵消的正温度相关的电压，以避免ADC中利用电容对正温度系数电压进行放大。
[0021]进一步地，所述缓冲级电路，利用两级运放接为单位增益缓冲级，使温度前端电路输出阻抗为低阻，以增强其负载驱动能力。
[0022]具体地，温度前端电路中PTAT电压产生电路利用MOSFET亚阈值特性产生正温度系数电压，以有效降低系统功耗。根据亚阈值电流表达式可得出MOSFET在亚阈值工作状态下栅源电压为：
[0023][0024]其中V
TH
为阈值电压，η为亚阈值斜率因子，V
T
为热电压，K为MOS管宽长比。
[0025]通过上述公式可得到类差分对结构中输入对管栅源电压差值：
[0026][0027]其中K
D1
、K
D2
为差分对管宽长比，K
M1
、K
M2
为电流镜宽长比。通过令：
[0028][0029]即可得到正温度系数电压，其温度系数可通过控制宽长比调节。
[0030]通过将单级类差分结构进行级联，从而得到温度系数与V
BE
大小相同、极性相反的正温度系数电压。
[0031]进一步地，所述15bit二阶Sigma
‑
DeltaADC包括：电压多路复用器、采样保持电路、
两级积分器、动态偏置比较器，通过电荷平衡原理将带有温度信息的模拟电压量转换为数字形式输出。
[0032]进一步地，所述采样保持电路中开关均采用互补结构T型开关进行采样与积分，以减少泄漏电流。
[0033]进一步地，所述动态偏置比较器，利用动态偏置技术提高动态比较器能源利用效率。
[0034]具体地，温度传感器采用二阶Sigma
‑
DeltaADC，通过电荷平衡的方式实现从电压域到数字域的转换，将温度前端所输出的包含温度信息的模拟电压量V
BE
和V
REF
转换为数字输出。
[0035]前端电路输出为基准电压V
REF
与负温度电压V
BE
，通过电压多路复用器将其转化为V
BE
与V
PTAT
，二者可以被组合从而产生一个关于温度的精确函数比例：
[0036][0037本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于，包括：温度前端电路、15bit二阶Sigma
‑
Delta ADC和时序产生电路；所述温度前端电路，用于提供与温度分别呈正相关和负相关的模拟电压量；所述15bit二阶Sigma
‑
Delta ADC，用于处理由温度前端电路产生的与温度相关的电压信号，输出一个包含温度信息的脉冲宽度调制信号；所述时序产生电路，提供Sigma
‑
Delta ADC中用于控制采样保持电路的非交叠时钟。2.根据权利要求1所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述的温度前端电路包括：启动电路、亚阈值电流偏置电路、CTAT电压产生电路以及PTAT电压产生电路；所述启动电路用于消除每条支路电流为零的情况；所述亚阈值电流偏置电路，用于提供精准的偏置电流给CTAT电压产生电路以及PTAT电压产生电路，输出为一个与温度正相关的电流；所述CTAT电压产生电路，用于产生与温度呈负相关的电压V
BE
；所述PTAT电压产生电路，用于提供一个与温度正相关的电压。3.根据权利要求2所述的应用于MEMS时钟的低功耗温度传感器，其特征在于：所述亚阈值电流偏置电路利用工作在亚阈值区的MOS管，产生与温度正相关的偏置电流，为双极性晶体管与PTAT电压产生电流提供偏置电流，以减小V
BE
的温度非线性。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄继伟，刘皓宇，郭屹粟，金靖，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：