0.13μm CMOS工艺的低功耗芯片级温度传感器设计

本文档探讨了"新型低功耗CMOS片上温度传感器设计"（2011年），针对超大规模集成电路（VLSI）芯片表面温度的精确测量需求，提出了一种创新的设计策略。该传感器主要目的是监控电路的工作状态并防止过热，因此它在设计上着重于高效能和低功耗。 论文的核心原理基于两个互补对称的衬底PNP晶体管的基一射电压差（ΔVBE）的温度系数（PTAT）特性。利用这种特性，传感器能够敏感地捕捉到温度变化，并将其转化为电信号。设计者巧妙地利用偏置电路将PTAT信号放大和镜像，以驱动一个三级环形振荡器。这个振荡器的关键特性在于其频率与温度之间呈线性关系，这意味着随着温度升高，振荡器的频率也随之增加。 为了实现这一转换，设计团队采用了0.13微米的CMOS工艺，使得传感器的版图面积极小，仅为0.02平方毫米，显著降低了器件的物理尺寸和成本。同时，他们通过精心优化实现了令人满意的低功耗表现，仅消耗0.3微瓦的功率，即使在每秒100个样本的高速采样下，也能保持高效运行。 此外，论文中提到的测频电路是整个系统的关键组件，它负责将振荡器产生的频率信号数字化，转化为8位数字信号，从而提供精确的温度读数。这种数字化处理确保了数据的可靠性和可读性，便于后续的处理和分析。 在性能验证部分，后版图仿真结果表明，这种新型CMOS片上温度传感器在-60℃到160℃的宽温范围内具有良好的测量精度，校准后的误差仅为±3.5℃。这证明了设计的实用性和稳定性，对于电子设备的温度监控和管理具有重要的实际意义。 本文献介绍了如何通过创新的电路设计和精细的工程实现，开发出一款既精准又节能的CMOS片上温度传感器，这对于现代电子产品，特别是对高温敏感的系统，如数据中心、通信设备等，具有重要的应用价值。