温度传感器及集成电路的制作方法

1.本技术涉及传感器技术领域，特别是涉及一种温度传感器及集成电路。


背景技术：

2.近年来，随着智能电网的快速发展，温度传感器越来越广泛地应用于智能电网设备中。一方面，温度传感器能够检测智能电网设备发生故障所导致的温度异常，另一方面，温度传感器能够检测到智能电网设备中不同模块的温度，并基于温度控制该不同模块调整自身的工作状态。因此，温度传感器是智能电网设备中重要的温度控制器件。
3.温度传感器的种类较为多样，常用的有热电阻温度传感器、热电偶温度传感器和集成温度传感器等。随着集成电路技术的高速发展，集成温度传感器广泛应用于集成电路中，传统的集成温度传感器主要采用双极型晶体管来实现温度采集。但是，目前，双极型晶体管对温度的测量精度较低。
4.基于此，亟需提供一种温度传感器来提高对温度的测量精度。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种温度传感器及集成电路，能够提高温度的测量精度。
6.一种温度传感器，包括电压生成模块、电压补偿模块、输出模块，其中，电压生成模块的输入端与外部电源电连接；电压生成模块用于生成与温度成反比的负温度系数电压；电压生成模块的输出端与电压补偿模块的输入端电连接；电压补偿模块用于对负温度系数电压进行补偿，生成与温度无关的补偿电压；电压生成模块的输出端、电压补偿模块的输出端与输出模块的输入端电连接；输出模块用于根据补偿电压与负温度系数电压输出正温度系数电压。
7.在其中一个实施例中，电压生成模块包括偏置电流生成电路、工作在亚阈值区的mos晶体管、第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路；第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路为共源共栅电流镜；
8.在其中一个实施例中，偏置电流生成电路，用于生成偏置电流；工作在亚阈值区的mos晶体管，用于生成与温度成反比的电压；第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路，用于按照不同的比例复制偏置电流，生成第一偏置电流、第二偏置电流及第三偏置电流；电压生成模块，用于基于第一偏置电流、第二偏置电流及第三偏置电流、第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路的等效电阻，生成第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路的等效电压；根据与温度成反比的电压、第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路的等效电压，生成负温度系数电压。
9.在其中一个实施例中，偏置电流生成电路包括第一nmos晶体管及第二nmos晶体管。
10.第一nmos晶体管的源极接地，第一nmos晶体管的漏极与第二nmos晶体管的源极电
连接，第二nmos晶体管的漏极与第一电流镜电路电连接，第一nmos晶体管的栅极、第二nmos晶体管的栅极与工作在亚阈值区的mos晶体管电连接。
11.在其中一个实施例中，工作在亚阈值区的mos晶体管包括第三nmos晶体管及第四nmos晶体管。
12.第三nmos晶体管的源极接地，第三nmos晶体管的漏极与第四nmos晶体管的源极电连接，第三nmos晶体管的漏极与第一nmos晶体管的栅极电连接，第四nmos晶体管的漏极与第三nmos晶体管的栅极电连接，第二nmos晶体管的栅极与第四nmos晶体管的栅极电连接，第四nmos晶体管的漏极与第二电流镜电路电连接。
13.在其中一个实施例中，第一电流镜电路包括第五pmos晶体管和第六pmos晶体管，第二电流镜电路包括第七pmos晶体管和第八pmos晶体管，第三电流镜电路包括第九pmos晶体管和第十pmos晶体管。
14.第五pmos晶体管的漏极、第八pmos晶体管的漏极、第十pmos晶体管的漏极与外部电源电连接，第六pmos晶体管的源极与第五pmos晶体管的漏极电连接，第五pmos晶体管的源极与第二nmos晶体管的漏极电连接；
15.第八pmos晶体管的源极与第七pmos晶体管的漏极电连接，第七pmos晶体管的源极与第四nmos晶体管的漏极电连接；
16.第十pmos晶体管的源极与第九pmos晶体管的漏极电连接，第九pmos晶体管的源极与第四nmos晶体管的源极电连接；
17.第六pmos晶体管的栅极与第六pmos晶体管的源极电连接，第六pmos晶体管的栅极分别与第八pmos晶体管的栅极和第十pmos晶体管的栅极电连接，第五pmos晶体管的栅极与第五pmos晶体管的源极电连接，第五pmos晶体管的栅极分别与第七pmos晶体管的栅极和第九pmos晶体管的栅极电连接。
18.在其中一个实施例中，电压补偿模块包括第四电流镜电路、工作在亚阈值区的差分对及第五电流镜电路。
19.在其中一个实施例中，第四电流镜电路，用于按照不同的比例复制所述偏置电流，生成第四偏置电流；第五电流镜电路为基本电流镜，用于根据负温度系数电压生成第五偏置电流；电压补偿模块用于将第四偏置电流、第五偏置电流输入至工作在亚阈值区的差分对，生成差分对的第一输出电压及差分对的第二输出电压；根据差分对的第一输出电压及差分对的第二输出电压，生成与温度无关的补偿电压。
20.在其中一个实施例中，工作在亚阈值区的差分对包括第十一pmos晶体管和第十二pmos晶体管。
21.第十一pmos晶体管的栅极分别与电压生成模块的输出端电连接，第十一pmos晶体管的漏极、第十二pmos晶体管的漏极与第四电流镜电路电连接，第十一pmos晶体管的源极、第十二pmos晶体管的源极与第五电流镜电路电连接。
22.在其中一个实施例中，第四电流镜电路包括第十五pmos晶体管和第十六pmos晶体管。
23.第十六pmos晶体管的漏极与外部电源电连接，第十六pmos晶体管的源极与第十五pmos晶体管的漏极电连接，第十五pmos晶体管的源极与第十一pmos晶体管的漏极电连接，第十六pmos晶体管的栅极与电压生成模块电连接，第十五pmos晶体管的栅极与电压生成模
块电连接。
24.在其中一个实施例中，第五电流镜电路包括第十三nmos晶体管和第十四nmos晶体管。
25.第十三nmos晶体管的漏极和第十三nmos晶体管的栅极与第十一pmos晶体管的源极电连接，第十三nmos晶体管的源极接地，第十二pmos晶体管的源极与第十四nmos晶体管的漏极电连接，第十四nmos晶体管的栅极与第十三nmos晶体管的栅极电连接，第十四nmos晶体管的源极接地。
26.一种集成电路，包括上述实施例中任一项温度传感器。
27.上述温度传感器及集成电路，包括电压生成模块、电压补偿模块、输出模块，其中，电压生成模块的输入端与外部电源电连接；电压生成模块用于生成与温度成反比的负温度系数电压；电压生成模块的输出端与电压补偿模块的输入端电连接；电压补偿模块用于对负温度系数电压进行补偿，生成与温度无关的补偿电压；电压生成模块的输出端、电压补偿模块的输出端与输出模块的输入端电连接；输出模块用于根据补偿电压与负温度系数电压输出正温度系数电压。电压补偿模块生成的与温度无关的补偿电压对电压生成模块生成的负温度系数电压进行电压补偿，最终得到的正温度系数电压可以有效去除工艺偏差带来的影响，从而提高了温度传感器对温度的测量精度。
附图说明
28.图1为一个实施例中温度传感器的结构图；
29.图2为一个实施例中电压生成模块的结构图；
30.图3为一个实施例中电压补偿模块的结构图；
31.图4为一个具体实施例中温度传感器的结构图；
32.图5为一个具体实施例中不同工艺角下负温度系数电压v
ctat
示意图；
33.图6为一个具体实施例中不同工艺角下补偿电压v
bgr
示意图；
34.图7为一个具体实施例中不同工艺角下正温度系数电压示意图；
35.图8为一个具体实施例中不同工艺角下正温度系数电压误差示意图；
36.图9为一个实施例中集成电路的结构图。
具体实施方式
37.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
38.图1为一个实施例中温度传感器的结构图，如图1所示，提供了一种温度传感器，包括电压生成模块120、电压补偿模块140、输出模块160，其中，电压生成模块120的输入端与外部电源180电连接；电压生成模块120用于生成与温度成反比的负温度系数电压；电压生成模块120的输出端与电压补偿模块140的输入端电连接；电压补偿模块140用于对负温度系数电压进行补偿，生成与温度无关的补偿电压；电压生成模块120的输出端、电压补偿模块140的输出端与输出模块160的输入端电连接；输出模块160用于根据补偿电压与负温度系数电压输出正温度系数电压。
39.通常来说，厂家提供的器件往往会存在工艺偏差，工艺偏差具体指实际制造的器件参数与设计参数的偏差。实际的集成电路的制造工艺存在较大的工艺偏差，以电阻为例，实际的电阻阻值与涉及设计阻值的偏差一般在
±
20％左右。同样的，mos晶体管、双极晶体管等器件也存在较大的工艺偏差，在不同晶片之间以及在不同批次之间，mos晶体管的参数变化相比于双极晶体管较大，具体表现在mos晶体管的阈值电压的差异、mos晶体管沟道长度的差异等。因此对于mos晶体管组成的温度传感器来说，mos晶体管的工艺偏差会极大的影响到温度传感器对温度的测量精度。为了在一定程度上减轻电路设计任务的困难，工艺工程师们要保证器件的性能在某个范围内，也就是说，如果超出设定的性能范围就会将这个器件报废。通常这个性能范围以“工艺角(process corners)”的形式给出，也就是说，把晶体管的参数波动范围限定在工艺角确定的范围之内。工艺角的基本思想是：把nmos晶体管和pmos晶体管的速度波动范围限制在由四个角所确定的矩形内。工艺角的选取就是为了得到可接受的成品率，各种工艺角和极限温度条件下对电路进行测试仿真是决定成品率的基础。
40.进一步的，电压生成模块120用于生成与温度成反比的负温度系数电压，但是工艺偏差的问题导致负温度系数电压在不同工艺角下会产生较大的差异，进而影响对温度的测量精度。因此需要消除工艺偏差对负温度系数电压带来的影响来提高温度传感器的精度。
41.进一步的，电压补偿模块140用于对负温度系数电压进行补偿以消除工艺偏差的影响，生成与温度无关的补偿电压。将电压补偿模块140生成的补偿电压和电压生成模块120生成的负温度系数电压，分别输入到输出模块160中得到两者的差值，即正温度系数电压。进一步的，由于补偿电压和负温度系数电压都是模拟信号，因此输出模块160可以先将补偿电压和负温度系数电压转换成数字信号，随后计算两者的差值之后输出。也可以先计算补偿电压和负温度系数电压差值，然后将该差值转换成数字信号输出。优选的，本技术使用差分模拟数字转换器(analog
‑
to
‑
digital converter，adc)作为输出模块，即先计算补偿电压和负温度系数电压的差值，然后将该差值转换成数字信号输出，得到最终的正温度系数电压。
42.本技术提出的温度传感器，包括电压生成模块120、电压补偿模块140、输出模块160，其中，电压生成模块120的输入端与外部电源180电连接；电压生成模块120用于生成与温度成反比的负温度系数电压；电压生成模块120的输出端与电压补偿模块140的输入端电连接；电压补偿模块140用于对负温度系数电压进行补偿，生成与温度无关的补偿电压；电压生成模块120的输出端、电压补偿模块140的输出端与输出模块160的输入端电连接；输出模块160用于根据补偿电压与负温度系数电压输出正温度系数电压。由于工艺偏差的问题导致负温度系数电压在不同工艺角下会产生较大的差异，而电压补偿模块140生成的补偿电压与温度无关。因此补偿电压可以对负温度系数电压进行电压补偿，输出模块160将补偿电压与负温度系数电压作差后得到的正温度系数电压可以有效去除工艺偏差带来的影响，从而提高了温度传感器对温度的测量精度。
43.在其中一个实施例中，图2为一个实施例中电压生成模块120的结构图，如图2所示，提供了一种电压生成模块120的结构图，包括偏置电流生成电路121、工作在亚阈值区的mos晶体管122、第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125；第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125为共源共栅电流镜。
44.具体的，偏置电流生成电路121，可以生成偏置电流。模拟集成电路的基本偏置包括电流偏置和电压偏置。提供偏置的作用是使mos晶体管及其电路处于正常的工作状态，电流偏置为电路的相关支路提供了静态工作电流。如果电路通过设置外部电流源给电路提供电流，一方面，额外器件添加到电路里面会导致电路面积的增加；另一方面，外部电流源的加入会导致电路整体功耗的增大。因此，通过偏置电流生成电路121生成的偏置电流，避免了使用额外电流源导致的电路面积加大和功耗提高的问题。
45.进一步的，工作在亚阈值区的mos晶体管122，其输出电流较小，进而降低了电压生成模块120的功耗。晶体管亚阈状态是mos管的一种重要状态或者工作模式，mos管的一晶体管亚阈状态又称为mos管的亚阈值区。在该状态下，mos管的栅极电压处在阈值电压以下，又没有出现导电沟道，处于此工作状态的mos管，会产生一个较小的电流，该电流为亚阈电流。与工作在饱和区的mos管相比，工作在亚阈值区的mos晶体管生成的亚阈电流虽然较小，但是工作在亚阈值区的mos晶体管122产生的亚阈电流能够很好地受到mos管栅极电压的控制，因此处于亚阈值区的mos晶体管的功耗较低。
46.进一步的，第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125都为mos电流镜电路，电流镜是模拟集成电路中最基本的单元电路之一，电流镜是一种能将电路中某一支路的参考电流在其他支路得以重现或复制的电路。由于电流镜的电流复制能力，电流镜常常被用来构成模拟集成电路和器件中的直流偏置电流源。根据采用的集成工艺，电流镜可分为双极性电流镜和mos电流镜。由于mos工艺具有比双极性工艺更高的集成度，且制造mos管的n沟道和p沟道互补对称管工艺交易实现，因此mos电流镜相比于双极性电流镜具有更广泛的应用。在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的复制，其前提是已经存在一个精确的电流源可供使用，该电流源不会因为输出节点的电位变化而使输出电流值发生变化。假设这个电流源已经存在，那么如果不考虑mos管沟道长度调制效应的作用，则工作在饱和区的器件的输出电流与栅源电压无关，也就不会因栅源电压的不同而产生电流比的误差。其中，所复制的电流与基准电流的比值由器件尺寸的比率决定。通过对mos晶体管结构宽长比的设计，可以得到与参考基准电流成任意比例关系的电流源，以满足模拟集成电路中各级放大电路对不同偏置电流的需求。
47.进一步的，第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125为共源共栅电流镜。电流镜的作用是精确地复制电流，然而在实际应用中，mos管的沟道长度调制效应会使基本电流镜复制的电流产生较大的误差。沟道长度调制效应是指mos晶体管中，当栅下沟道预夹断后，若继续增大漏源电压，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多，使漏极电流增大的效应。也就是说，当mos管的漏源电压存在电压差时，电流镜复制的电流就会出现偏差。而共源共栅电流镜的漏源电压对输出电压变化不敏感，可以有效抑制沟道长度调制的影响，因此共源共栅电流镜可以更加精确的复制电流。
48.本技术实施例中，电压生成模块120包括偏置电流生成电路121、工作在亚阈值区的mos晶体管122、第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125；第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125为共源共栅电流镜。其中，偏置电流生成电路121，可以生成偏置电流，避免了使用额外电流源导致的电压生成模块120
面积增加和功耗提高的问题。工作在亚阈值区的mos晶体管122，其输出电流较小，进而降低了电压生成模块120的功耗。第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125都是共源共栅电流镜，可以有效抑制mos管中沟道长度调制的影响，并且提高复制电流的精度，为电压补偿电路提供精确的电流，最终提高了温度传感器对温度的测量精度。
49.在其中一个实施例中，如图2所示，偏置电流生成电路121，用于生成偏置电流；工作在亚阈值区的mos晶体管122，用于生成与温度成反比的电压；第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125，用于按照不同的比例复制所述偏置电流，生成第一偏置电流、第二偏置电流及第三偏置电流；电压生成模块120，用于基于第一偏置电流、第二偏置电流及第三偏置电流、第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125的等效电阻，生成第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125的等效电压；根据与温度成反比的电压、第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125的等效电压，生成负温度系数电压v
ctat
。
50.具体的，偏置电流生成电路121可以生成偏置电流，用于作为自偏置电流源，为整个电路提供了电流偏置。工作在亚阈值区的mos晶体管122生成一路与温度成反比的电压，与工作在饱和区的mos晶体管相比，工作在亚阈值区的mos晶体管122流过的电流较小，因此有效降低了电路的功耗。第一电流镜电路123用于按照一定的比例复制偏置电流生成电路121所产生的偏置电流，生成第一偏置电流。第二电流镜电路124用于按照一定的比例复制偏置电流生成电路121所产生的偏置电流，生成第二偏置电流。第三电流镜电路125用于按照一定的比例复制偏置电流生成电路121所产生的偏置电流，生成第三偏置电流。具体的，第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125，通过将各个mos晶体管的尺寸控制在合理的精度范围内，就可以精确地复制偏置电流生成电路121生成的偏置电流，从而为各个支路电流提供不同比例的电流。
51.进一步的，基于第一偏置电流、第二偏置电流及第三偏置电流、第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125的等效电阻，生成第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125的等效电压。进一步的，根据与温度成反比的电压、第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125的等效电压，生成负温度系数电压v
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。具体的，第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125的等效电压与工作在亚阈值区的mos晶体管122生成的与温度成反比的电压相减之后得到负温度系数电压v
ctat
。
52.本技术实施例中，偏置电流生成电路121生成一路偏置电流作为电流源，避免了使用额外电流源导致的电路面积加大和功耗提高的问题。工作在亚阈值区的mos晶体管122生成一路与温度成反比的电压，第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125按照不同的比例复制偏置电流，生成第一偏置电流、第二偏置电流及第三偏置电流。电压生成模块120根据第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125的等效电压与工作在亚阈值区的mos晶体管122的与温度成反比的电压生成负温度系数电压v
ctat
，最终生成的负温度系数电压v
ctat
较小，并且与温度成线性反比，因此很好地满足了温度传感器低功耗的需求。
53.在其中一个实施例中，如图2所示，偏置电流生成电路121包括第一nmos晶体管nm1及第二nmos晶体管nm2。
54.第一nmos晶体管nm1的源极接地，第一nmos晶体管nm1的漏极与第二nmos晶体管nm2的源极电连接，第二nmos晶体管nm2的漏极与第一电流镜电路123电连接，第一nmos晶体管nm1的栅极、第二nmos晶体管nm2的栅极与工作在亚阈值区的mos晶体管122电连接。
55.具体的，偏置电流生成电路121由n沟道耗尽型mos管组成，也就是说，第一nmos晶体管nm1及第二nmos晶体管nm2都为n沟道耗尽型mos管。n沟道mos(nmos)晶体管的导通特性具体体现在，当nmos晶体管的栅源电压大于一定的值就会导通，适应于源极接地的情况，也就是低端驱动。而nmos晶体管分为n沟道耗尽型mos晶体管和n沟道增强型mos晶体管，n沟道增强型mos晶体管必须在栅极上施加正向偏压，且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生，n沟道耗尽型mos晶体管是指在不加栅压(栅源电压为零)时，就有导电沟道产生。进一步的，偏置电流生成电路121中第一nmos晶体管nm1以自身电压作为偏置，生成一路自偏置的电流源，为整个电路提供了电流偏置。
56.进一步的，第二nmos晶体管nm2为共源共栅结构，共源共栅结构的最大特点就是输出阻抗比较大，另外共源共栅晶体管的漏源电压对输出电压不敏感，也就是说，即使共源共栅结构的输出负载变化很大时，共源管的源漏电压的变化也很小。因此，第二nmos晶体管nm2进一步提高了电流源的线性度。
57.本技术实施例中，偏置电流生成电路121包括第一nmos晶体管nm1及第二nmos晶体管nm2，第一nmos晶体管nm1用于以自身电压作为偏置，生成一路自偏置的电流源，为整个电路提供了电流偏置，从而减小了电路面积以及降低了电路功耗。第二nmos晶体管nm2为共源共栅mos管，共源共栅结构的输出阻抗较大并且漏源电压对输出电压不敏感，因此，进一步提高了电流源的线性度。
58.在其中一个实施例中，如图2所示，工作在亚阈值区的mos晶体管122包括第三nmos晶体管nm3及第四nmos晶体管nm4。
59.第三nmos晶体管nm3的源极接地，第三nmos晶体管nm3的漏极与第四nmos晶体管nm4的源极电连接，第三nmos晶体管nm3的漏极与第一nmos晶体管nm1的栅极电连接，第四nmos晶体管nm4的漏极与第三nmos晶体管nm3的栅极电连接，第二nmos晶体管nm2的栅极与第四nmos晶体管nm4的栅极电连接，第四nmos晶体管nm4的漏极与第二电流镜电路124电连接。
60.具体的，工作在亚阈值区的mos晶体管122由n沟道耗尽型mos管组成，也就是说，第三nmos晶体管nm3及第四nmos晶体管nm4为n沟道耗尽型mos管。
61.本技术实施例中，工作在亚阈值区的mos晶体管122包括第三nmos晶体管nm3及第四nmos晶体管nm4。由于工作在亚阈值区的mos晶体管122流过的电流较小，因此有效降低了电路的功耗。
62.在其中一个实施例中，如图2所示，第一电流镜电路123包括第五pmos晶体管pm5和第六pmos晶体管pm6，第二电流镜电路124包括第七pmos晶体管pm7和第八pmos晶体管pm8，第三电流镜电路125包括第九pmos晶体管pm9和第十pmos晶体管pm10；第五pmos晶体管pm5的漏极、第八pmos晶体管pm8的漏极、第十pmos晶体管pm10的漏极与外部电源电连接，第六pmos晶体管pm6的源极与第五pmos晶体管pm5的漏极电连接，第五pmos晶体管pm5的源极与第二nmos晶体管nm2的漏极电连接；第八pmos晶体管pm8的源极与第七pmos晶体管pm7的漏极电连接，第七pmos晶体管pm7的源极与第四nmos晶体管nm4的漏极电连接，第十pmos晶体
管pm10的源极与第九pmos晶体管pm9的漏极电连接，第九pmos晶体管pm9的源极与第四nmos晶体管nm4的源极电连接，第六pmos晶体管pm6的栅极与第六pmos晶体管pm6的源极电连接，第六pmos晶体管pm6的栅极分别与第八pmos晶体管pm8的栅极和第十pmos晶体管pm10的栅极电连接，第五pmos晶体管pm5的栅极与第五pmos晶体管pm5的源极电连接，第五pmos晶体管pm5的栅极分别与第七pmos晶体管pm7的栅极和第九pmos晶体管pm9的栅极电连接。
63.具体的，第一电流镜电路123、第二电流镜电路124、第三电流镜电路125由p沟道耗尽型mos管组成，也就是说，第五pmos晶体管pm5、第六pmos晶体管pm6、第七pmos晶体管pm7、第八pmos晶体管pm8、第九pmos晶体管pm9、第十pmos晶体管pm10都为p沟道耗尽型mos管。p沟道mos(pmos)晶体管的导通特性具体体现在，当pmos晶体管的栅源电压小于一定的值就会导通，适用于源极接电源的情况，也就是高端驱动。进一步的，pmos晶体管分为p沟道耗尽型mos晶体管和p沟道增强型mos晶体管，p沟道增强型mos晶体管在栅极上施加正电压(源极接地)时，可以形成连接源极和漏极之间的沟道，通过改变栅牙进而改变沟道的电阻。而p沟道耗尽型mos晶体管在不加栅压时就已存在连接源极和漏极之间的沟道，加上适当的偏压后，可使沟道的电阻增大或减小。
64.进一步的，第一电流镜电路123、第二电流镜电路124、第三电流镜电路125为共源共栅电流镜，共源共栅电流镜的漏源电压对输出电压变化不敏感，可以有效抑制沟道长度调制的影响，因此第一电流镜电路123、第二电流镜电路124、第三电流镜电路125可以更加精确地复制偏置电流生成电路121生成的偏置电流。
65.本技术实施例中，第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125，通过将各个mos晶体管的尺寸控制在合理的精度范围内，就可以复制偏置电流生成电路121生成的偏置电流，为各个支路电流提供不同比例的电流。另外，由于第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125为共源共栅电流镜，因此可以为各个支路提供更精确的电流，因此在一定程度上提高了温度传感器对温度的测量精度。
66.在其中一个实施例中，图3为一个实施例中电压补偿模块140的结构图，如图3所示，提供了一种电压补偿模块140的结构图，包括第四电流镜电路142、工作在亚阈值区的差分对144及第五电流镜电路146。
67.具体的，第四电流镜电路142及第五电流镜电路146通过调节mos晶体管的宽长比，进而精确的复制电流，为电压补偿模块140中支路提供对应的比例的电流。工作在亚阈值区的差分对144起到类似于带隙基准的作用，在模拟电路中广泛地包含电压基准和电流基准，这种基准是直流量，该直流量与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。带隙基准是利用一个具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，二者温度系数相互抵消，就能够去除温度的影响，实现与温度无关的电压基准。
68.本技术实施例中，提供了一种电压补偿模块140，包括第四电流镜电路142、工作在亚阈值区的差分对144及第五电流镜电路146，通过工作在亚阈值区的差分对144生成一路与温度无关的电压，可以对电压生成模块120生成的负温度系数电压v
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进行电压补偿，进而消除了工艺偏差带来的影响，进而提高温度传感器对温度的测量精度。
69.在其中一个实施例中，如图3所示，第四电流镜电路142，用于按照不同的比例复制所述偏置电流，生成第四偏置电流；第五电流镜电路146为基本电流镜，用于根据负温度系数电压v
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生成第五偏置电流；电压补偿模块140用于将第四偏置电流、第五偏置电流输入
至工作在亚阈值区的差分对144，生成差分对的第一输出电压及差分对的第二输出电压；根据差分对的第一输出电压及差分对的第二输出电压，生成与温度无关的补偿电压v
bgr
。
70.具体的，第四电流镜电路142为共源共栅电流镜，可以有效抑制mos管中沟道长度调制的影响，并且提高复制电流的精度，生成第四偏置电流。第五电流镜电路146为基本电流镜，用于为电压补偿模块140的支路提供电流，根据输入的负温度系数电压v
ctat
生成第五偏置电流。进一步的，电压补偿模块140用于将第四偏置电流、第五偏置电流输入至工作在亚阈值区的差分对144，生成差分对的第一输出电压及差分对的第二输出电压，通过对第一输出电压及第二输出电压作差值抵消掉第一输出电压及第二输出电压之间的温度系数，实现与温度无关的电压基准，进而生成与温度无关的补偿电压v
bgr
。
71.本技术实施例中，第四电流镜电路142生成的第四偏置电流、与第五电流镜电路146生成的第五偏置电流分别输入到工作在亚阈值区的差分对144中，进而工作在亚阈值区的差分对144生成第一输出电压及第二输出电压，将第一输出电压及差分对的第二输出电压相减，可以消除温度系数的影响，最终得到生成与温度无关的补偿电压v
bgr
。得到的温度无关的补偿电压v
bgr
可以对负温度系数电压v
ctat
进行电压补偿，进而消除工艺偏差带来的影响，提高温度传感器的精度。
72.在其中一个实施例中，如图3所示，工作在亚阈值区的差分对144包括第十一pmos晶体管pm11和第十二pmos晶体管pm12。第十一pmos晶体管pm11的栅极分别与电压生成模块120的输出端电连接，第十一pmos晶体管pm11的漏极、第十二pmos晶体管pm12的漏极与第四电流镜电路142电连接，第十一pmos晶体管pm11的源极、第十二pmos晶体管pm12的源极与第五电流镜电路146电连接。
73.具体的，工作在亚阈值区的差分对144通过对输入端和输出端电压作差值来抵消掉与温度相关的系数，进而生成与温度无关的补偿电压v
bgr
。进一步的，第十一pmos晶体管pm11的栅极分别与第九pmos晶体管pm9的源极电连接，第十一pmos晶体管pm11的漏极、第十二pmos晶体管pm12的漏极与第四电流镜电路142电连接，第十一pmos晶体管pm11的源极、第十二pmos晶体管pm12的源极与第五电流镜电路146电连接。
74.本技术实施例中，通过工作在亚阈值区的差分对144得到生成与温度无关的补偿电压v
bgr
。得到的与温度无关的补偿电压v
bgr
可以对负温度系数电压v
ctat
进行电压补偿，进而消除工艺偏差带来的影响，提高了温度传感器的精度。
75.在其中一个实施例中，如图3所示，第四电流镜电路142包括第十五pmos晶体管pm15和第十六pmos晶体管pm16。
76.第十六pmos晶体管pm16的漏极与外部电源电连接，第十六pmos晶体管pm16的源极与第十五pmos晶体管pm15的漏极电连接，第十五pmos晶体管pm15的源极与第十一pmos晶体管pm11的漏极电连接，第十六pmos晶体管pm16的栅极与电压生成模块120电连接，第十五pmos晶体管的栅极与电压生成模块120电连接。
77.具体的，第四电流镜电路142为共源共栅电流镜，通过精确复制相应比例的电流，进而为工作在亚阈值区的差分对144提供第四偏置电流。进一步的，第十六pmos晶体管pm16的漏极与外部电源电连接，第十六pmos晶体管pm16的源极与第十五pmos晶体管pm15的漏极电连接，第十五pmos晶体管pm15的源极与第十一pmos晶体管pm11的漏极电连接，第十六pmos晶体管pm16的栅极与第六pmos晶体管pm6的栅极电连接，第十五pmos晶体管的栅极与
第五pmos晶体管pm5的栅极电连接。
78.本技术实施例中，第四电流镜电路142可以精确的复制电压生成模块120中的偏置电流，提高了电流的复制精度，进而提高了温度传感器的测量精度，另外，第四电流镜电路142减少了外部电流源的使用，进而降低了温度传感器的功耗。
79.在其中一个实施例中，如图3所示，第五电流镜电路146包括第十三nmos晶体管nm13和第十四nmos晶体管nm14。
80.第十三nmos晶体管nm13的漏极和第十三nmos晶体管nm13的栅极与第十一pmos晶体管pm11的源极电连接，第十三nmos晶体管nm13的源极接地，第十二pmos晶体管nm12的源极与第十四nmos晶体管nm14的漏极电连接，第十四nmos晶体管nm14的栅极与第十三nmos晶体管nm13的栅极电连接，第十四nmos晶体管nm14的源极接地。
81.具体的，第五电流镜电路146为基本电流镜，通过复制相应比例的电流，进而为工作在亚阈值区的差分对144提供第五偏置电流。
82.本技术实施例中，第五电流镜电路146可以复制电压生成模块120中的偏置电流，减少了外部电流源的使用，进而降低了温度传感器的功耗。
83.在一个具体的实施例中，图4为一个具体实施例中温度传感器的结构图，如图4所示，包括电压生成模块120、电压补偿模块140、输出模块。
84.具体的，电压生成模块120包括偏置电流生成电路121、工作在亚阈值区的mos晶体管122、第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125；第一电流镜电路123、第二电流镜电路124以及第三电流镜电路125为共源共栅电流镜。电压补偿模块140包括第四电流镜电路142、工作在亚阈值区的差分对144及第五电流镜电路146。
85.进一步的，偏置电流生成电路121包括第一nmos晶体管nm1及第二nmos晶体管nm2。第一nmos晶体管nm1的源极接地，第一nmos晶体管nm1的漏极与第二nmos晶体管nm2的源极电连接，第二nmos晶体管nm2的漏极与第一电流镜电路123电连接，第一nmos晶体管nm1的栅极、第二nmos晶体管nm2的栅极与工作在亚阈值区的mos晶体管122电连接。偏置电流生成电路121中第一nmos晶体管nm1以自身电压作为偏置，生成一路自偏置的电流源，为整个电路提供了电流偏置，第一nmos晶体管nm1生成的偏置电流为：
[0086][0087]
φ
t
＝kt/q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0088]
其中，i
s1
为第一nmos晶体管nm1归一化电流，v
ctat
为电压生成模块生成120的负温度系数电压v
ctat
，v
t1
为第一nmos晶体管nm1的阈值电压，n1为第一nmos晶体管nm1的亚阈值坡度系数，φ
t
为热电势，k为玻尔兹曼常数，t为温度，q为单位电荷。
[0089]
进一步的，工作在亚阈值区的mos晶体管122包括第三nmos晶体管nm3及第四nmos晶体管nm4。第三nmos晶体管nm3的源极接地，第三nmos晶体管nm3的漏极与第四nmos晶体管nm4的源极电连接，第三nmos晶体管nm3的漏极与第一nmos晶体管nm1的栅极电连接，第四nmos晶体管nm4的漏极与第三nmos晶体管nm3的栅极电连接，第二nmos晶体管nm2的栅极与第四nmos晶体管nm4的栅极电连接，第四nmos晶体管nm4的漏极与第二电流镜电路124电连接。
[0090]
处于亚阈值区的第三nmos晶体管nm3或第四nmos晶体管nm4的漏极电流可以表示
为：
[0091][0092]
其中，i
s
＝i
sq
(w/l)，i
s
为第三nmos晶体管nm3或第四nmos晶体管nm4的源极电流，i
sq
为第三nmos晶体管nm3或第四nmos晶体管nm4的归一化电流，具体表示为i
sq
＝μc'
ox
n(φ
t2
/2)，μ为载流子迁移率，n为亚阈值坡度系数，c'
ox
为单位面积的栅电容，w为第三nmos晶体管nm3或第四nmos晶体管nm4的宽度，l为第三nmos晶体管nm3或第四nmos晶体管nm4的长度，v
g
为第三nmos晶体管nm3或第四nmos晶体管nm4的栅极电压，v
t
为第三nmos晶体管nm3或第四nmos晶体管nm4的阈值电压，v
s
为第三nmos晶体管nm3或第四nmos晶体管nm4的源极电压。与正常与正常工作在饱和区的mos相比，工作在亚阈值区的mos晶体管122流过的电流更小，支路电流低于1na，很好地满足了低功耗的需求。
[0093]
进一步的，第一电流镜电路123包括第五pmos晶体管pm5和第六pmos晶体管pm6，第二电流镜电路124包括第七pmos晶体管pm7和第八pmos晶体管pm8，第三电流镜电路125包括第九pmos晶体管pm9和第十pmos晶体管pm10；第五pmos晶体管pm5的漏极、第八pmos晶体管pm8的漏极、第十pmos晶体管pm10的漏极与外部电源电连接，第六pmos晶体管pm6的源极与第五pmos晶体管pm5的漏极电连接，第五pmos晶体管pm5的源极与第二nmos晶体管nm2的漏极电连接；第八pmos晶体管pm8的源极与第七pmos晶体管pm7的漏极电连接，第七pmos晶体管pm7的源极与第四nmos晶体管nm4的漏极电连接，第十pmos晶体管pm10的源极与第九pmos晶体管pm9的漏极电连接，第九pmos晶体管pm9的源极与第四nmos晶体管nm4的源极电连接，第六pmos晶体管pm6的栅极与第六pmos晶体管pm6的源极电连接，第六pmos晶体管pm6的栅极分别与第八pmos晶体管pm8的栅极和第十pmos晶体管pm10的栅极电连接，第五pmos晶体管pm5的栅极与第五pmos晶体管pm5的源极电连接，第五pmos晶体管pm5的栅极分别与第七pmos晶体管pm7的栅极和第九pmos晶体管pm9的栅极电连接。
[0094]
假设流经第六pmos晶体管pm6的电流为i6，则流经第八pmos晶体管pm8和第十pmos晶体管pm10的电流分别为αi6和βi6，其中α、β为0至1之间的实数。工作在亚阈值区的mos晶体管122的第三nmos晶体管nm3和第四nmos晶体管nm4的电流分别为i
d3
和i
d4
，具体表示为：
[0095]
i
d3
＝(α β)i6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0096]
i
d4
＝αi6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0097]
v
g3
＝v
g4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0098]
其中，v
g3
为第三nmos晶体管nm3的栅极电压，v
g4
为第四nmos晶体管nm4的栅极电压，进一步的，电压生成模块120生成的负温度系数电压v
ctat
为：
[0099][0100]
其中，n3为第三nmos晶体管nm3的亚阈值坡度系数，n4为第四nmos晶体管nm4的亚阈值坡度系数，v
t3
为第三nmos晶体管nm3的阈值电压，v
t4
为第四nmos晶体管nm4的阈值电压，i
s3
为第三nmos晶体管nm3的归一化电流，i
s4
为第四nmos晶体管nm4的归一化电流。由公式(7)可以看出，第三nmos晶体管nm3的阈值电压v
t3
大于第四nmos晶体管nm4的阈值电压v
t4
。将公式(3)带入公式(7)后，可得：
[0101][0102]
其中，由公式(8)可以看出，由于φ
t
的系数为负数，因此生成的负温度系数电压v
ctat
是与温度线性负相关的。
[0103]
电压生成模块生成120在面积和功耗上具有极大的优势，但是由于mos器件的工作电压受到工艺偏差的影响，进而影响到电路的性能。图5为一具体实施例中不同工艺角下负温度系数电压v
ctat
示意图，图5展示了在ss、snfp、tt、fnsp、ff五个工艺角下的负温度系数电压v
ctat
变化情况，坐标轴为温度
‑
电压。由图5可以看出，不同工艺角下的负温度系数电压v
ctat
保持了较好的线性和较一致的斜率，然而每个工艺角下的负温度系数电压v
ctat
曲线的纵坐标都相差了一个固定值。由公式(8)可以看出，负温度系数电压v
ctat
曲线的线性度和斜率是由φ
t
项所决定的，由于φ
t
是负数，因此负温度系数电压v
ctat
与温度成反比。然而公式(8)中的v
t
分量导致负温度系数电压v
ctat
曲线中在纵坐标处的出现固定差值，这是由于mos管受不同工艺手段的影响，导致mos管的阈值电压收到工艺偏差的影响，在不同工艺角下表现出一定的差异。
[0104]
进一步的，电压补偿模块140包括第四电流镜电路142、工作在亚阈值区的差分对144及第五电流镜电路146。
[0105]
进一步的，第四电流镜电路142包括第十五pmos晶体管pm15和第十六pmos晶体管pm16。第十六pmos晶体管pm16的漏极与外部电源电连接，第十六pmos晶体管pm16的源极与第十五pmos晶体管pm15的漏极电连接，第十五pmos晶体管pm15的源极与第十一pmos晶体管pm11的漏极电连接，第十六pmos晶体管pm16的栅极与第六pmos晶体管pm6的栅极电连接，第十五pmos晶体管的栅极与第五pmos晶体管pm5的栅极电连接。
[0106]
进一步的，第五电流镜电路146包括第十三nmos晶体管nm13和第十四nmos晶体管nm14。第十三nmos晶体管nm13的漏极和第十三nmos晶体管nm13的栅极与第十一pmos晶体管pm11的源极电连接，第十三nmos晶体管nm13的源极接地，第十二pmos晶体管nm12的源极与第十四nmos晶体管nm14的漏极电连接，第十四nmos晶体管nm14的栅极与第十三nmos晶体管nm13的栅极电连接，第十四nmos晶体管nm14的源极接地。
[0107]
进一步的，工作在亚阈值区的差分对144包括第十一pmos晶体管pm11和第十二pmos晶体管pm12。第十一pmos晶体管pm11的栅极分别与第九pmos晶体管pm9的源极电连接，第十一pmos晶体管pm11的漏极、第十二pmos晶体管pm12的漏极与第四电流镜电路142电连接，第十一pmos晶体管pm11的源极、第十二pmos晶体管pm12的源极与第五电流镜电路146电连接。通过工作在亚阈值区的差分对144可得到与温度无关的补偿电压v
bgr
，表示为：
[0108][0109]
其中，k＝w/l，w为mos管的宽度，l为mos管的长度，k
11
、k
12
、k
13
、k
14
分别为第十一pmos晶体管pm11、第十二pmos晶体管pm12、第十三nmos晶体管nm13、第十四nmos晶体管nm14的k值。由公式(9)可以看出，通过调整第十一pmos晶体管pm11、第十二pmos晶体管pm12、第十三nmos晶体管nm13、第十四nmos晶体管nm14的k值就可以得到与温度无关的补偿电压
v
bgr
。
[0110]
图6为一具体实施例中不同工艺角下补偿电压v
bgr
示意图，图6展示了在ss、snfp、tt、fnsp、ff五个工艺角下的补偿电压v
bgr
变化情况，坐标轴为温度
‑
电压。由图6可以看出，在ss、snfp、tt、fnsp、ff五个工艺角下的补偿电压v
bgr
与温度无关。利用补偿电压v
bgr
可以对负温度系数电压v
ctat
进行电压补偿，将补偿电压v
bgr
和负温度系数电压v
ctat
输入到输出模块中得到正温度系数电压。图7为一具体实施例中不同工艺角下正温度系数电压示意图，图7展示了在ss、snfp、tt、fnsp、ff五个工艺角下的正温度系数电压变化情况，坐标轴为温度
‑
电压。由图7可以看出，补偿后得到的正温度系数电压与温度成正线性比关系，并且受到工艺偏差的影响小。这是由于补偿电压v
bgr
包含了负温度系数电压v
ctat
的v
t
分量，通过输出模块将补偿电压v
bgr
和负温度系数电压v
ctat
作差值，抵消掉了负温度系数电压v
ctat
的v
t
分量，进而补偿后得到的正温度系数电压有效消除了工艺偏差带来的影响。图8为一具体实施例中不同工艺角下正温度系数电压误差示意图，图8展示了以tt工艺角下的正温度系数电压作为基准，ss、snfp、fnsp、ff四个工艺角下的正温度系数电压误差情况，坐标轴为温度
‑
电压差。由图8可以看出，在温度范围为
‑
10℃至70℃之间，不同工艺角下正温度系数电压误差范围控制在
‑
3℃至3℃之间。因此通过补偿电压v
bgr
对负温度系数电压v
ctat
进行电压补偿后得到的正温度系数电压可以有效去除工艺偏差带来的影响。
[0111]
表1为一具体实施例中本技术的温度传感器与对比技术的对比情况，如表1所示，表1为本技术的温度传感器与对比技术的温度传感器的参数对比情况。如表1所示，基于umc ulp 55nm工艺进行设计，本技术的温度传感器电路整体面积仅231um2，且功耗仅为25nw，远低于对比技术的温度传感器。另外，本技术的温度传感器测量误差可以控制在
‑
2.9℃至2.9℃之间，远小于对比技术的温度传感器。从整体上看，与对比技术相比，文中提出的温度传感器电路面积小，功耗低，且测量精度高。
[0112]
表1
[0113]
参数本技术对比技术工艺(nm)5565电源电压(v)2.50.6～1.0核心器件cmoscmos功耗(nw)25360面积(um2)231279范围(℃)
‑
10～700～100误差(℃)
‑
2.9～2.9
‑
3.4～3.6
[0114]
在其中一个实施例中，图9为一个实施例中集成电路的结构图，如图9所示，提供了一种集成电路200，包括用于实现以上任一实施例所提供的温度传感器100。
[0115]
具体的，该集成电路200可以是芯片，具体可以应用于电力测试等技术领域。所提供集成电路200包含的温度传感器100包括电压生成模块120、电压补偿模块140、输出模块160。其中，电压生成模块120的输入端与外部电源180电连接；电压生成模块120用于生成与温度成反比的负温度系数电压；电压生成模块120的输出端与电压补偿模块140的输入端电连接；电压补偿模块140用于对负温度系数电压进行补偿，生成与温度无关的补偿电压；电压生成模块120的输出端、电压补偿模块140的输出端与输出模块160的输入端电连接；输出
模块160用于根据所述补偿电压与负温度系数电压输出正温度系数电压。
[0116]
在申请实施例中，提供了一种集成电路200包括用于实现以上任一实施例所提供的温度传感器100，所提供的集成电路200可以实现对温度的精确测量，并且集成电路200的面积小且功耗较低。
[0117]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0118]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。