（微电子学与固体电子学专业论文）一种bicmos过热保护电路.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 摘要 随着集成电路技术的广泛应用及集成度不断增加，超大规模集成 电路芯片的功耗也在不断的提高，必将引起芯片内部的温度不断提 高。如果温度超过器件所允许的过热温度点就可能对芯片产生永久性 的损害。为了保护芯片使其免受温度的损坏，采用低电源电压和低功 耗电路设计技术的同时，有必要在芯片内部设置温度传感器，进行过 热保护。由于b i c m o s i 艺的高速、电流驱动能力强和模拟精度高以 及低功耗、低电压的特点正被越来越多地用于一些模拟电路设计中， 所以设计出可复用和与b i c m o s 工艺兼容的过热保护电路具有重要 意义。 温度传感器和保护实现是过热保护电路的设计关键。而低电压、 低功耗是过热保护电路的重要设计指标，也是本文设计的重点。 论文利用晶体管的v 。随温度升高而减小和v 。随温度的升高而 增加的特性设计出温度传感器，双向检测温度的变化，实现了过热保 护，并解决了过热保护温度点反复开关的热震荡问题。采用0 6 u m b i c m o s 工艺参数，对电路进行i = s p ic e 模拟仿真，并与文献中提出的过 热保护电路进行比较结果表明，该电路具有关断和开启阈值点的 准确性强、对温度灵敏度高、超低静态电流和超低功耗的特点，并且 该电路结构简单，对因电源电压、工艺参数变化而引起的过热保护闽 值点漂移有很强的抑制能力 关键词：过热保护：b i c m o s ；温度传感器；迟滞 西南交通大学硕士研究生学位论文 i i a b s tr a c t d u et ot h ea d v a n c e si nt h ef a b r i c a t i o np r o c e s sf i e l do fi n t e g r a t e d c i r c u i t s ，t h ec o m p o n e n td e n s i t ya n dt h eo v e r a l lp o w e rd i s s i p a t i o no ft h e h i g hp e r f o r m a n c ev l s ic h i p si n c r e a s ec o n t i n u o u s l y t h e r e f o r e ，t h e i n c r e a s i n gt h e r m a l s t a t eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t sh a sb e e na l w a y sag r e a t p r o b l e mc o n c e r n e d e x c e s s i v e “h o ts p o t t e m p e r a t u r e sd u e t oh i g hp o w e r d i s s i p a t i o no faf u n c t i o n a lc i r c u i ti na ni n t e g r a t e dc i r c u i tc h i pc a nr e s u l t i np e r m a n e n tc i r c u i td a m a g ei ft h er e s u l t i n ge x c e s s i v eh o ts p o t t e m p e r a t u r ei sn o tp r o m p t l yd e t e c t e da n dr e d u c e db yt u r n i n go f fo rp o w e r i n g d o w na tl e a s tp a r to ft h ef u n c t i o n a lc i r c u i tc a u s i n gt h ep o w e r d i s s i p a t i o n t oo v e r c o m et h i sp r o b l e m ，m a n yr e s e a r c h e r sd e v e l o p e dl o w p o w e rd e s i g nt e c h n i q u e sf o rv l s is y s t e m s i no r d e rt oa v o i dt h e r m a ld a m a g e s ，a n e f f i c i e n t w a yi s t ob u i l d t e m p e r a t u r e s e n s o r sa n dt h e r m a l - s h u t d o w n p r o t e c t i o nc i r c u i ti n t oa l lv l s ic h i p sa sb u i l t i nu n i t s t h ea p p l i c a t i o n s o fb i c m o s t e c h n o l o g yt oa n a l o gc i r c u i td e s i g na r ee v e rw i d e rd u et oi t s c h a r a c t e r so fh i g h s p e e d ，s t r o n g c u r r e n td r i v ec a p a b i l i t y ，h i g hs i m u l a t i o n p r e c i s i o n ，l o wv o l t a g e ，a n dl o wp o w e r d e s i g n i n gt h em u l t i p l e x i n gt h e r m a l s h u t d o w np r o t e c t i o nc i r c u i tw h i c hc a n c o m p a t i b l ew i t hb i c m o s t e c h n o l o g yh a si m p o r t a n ts e n s e t h ek e y so fd e s i g n i n gt h e r m a l - s h u t d o w np r o t e c t i o nc i r c u i ta r et h e t e m p e r a t u r es e n s o ra n di m p l e m e n t a t i o no ft h e r m a l s h u t d o w np r o t e c t i o n a n dt h ei m p o r t a n td e s i g ni n d e x e sa r el o w v o l t a g ea n dl o wp o w e r , w h i c h a r et h ed e s i g ne m p h a s e si nt h i sp a p e r b a s e do nt h ec h a r a c t e ro ft r a n s i s t o rt h a tv a ed e c r e a s ew i t hi n c r e a s e o ft e m p e r a t u r ea n da v b ei n c r e a s ew i t ht e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e rd e s i g n n e dt h et e m p e r a t u r es e n s o r ，w h i c hc a nd e t e c tb i d i r e c t i o n a l l yt h ec h a n g e o ft e m p e r a t u r es oa st o i m p l e m e n tt h e r m a l s h u t d o w np r o t e c t i o na n d s o l v et h ep r o b l e mo ft h e r m a ls c i l l a t i o n an e wb i c m o st h e r m a l s h u t d o w np r o t e c t i o nc i r c u i ti s p r e s e n t e d s i m u l a t i o nw i t h0 6 u r nb i c m o s t e c h n o l o g ya n dc o m p a r i n gw i t ho l dt h e r m a l s h u t d o w np r o t e c t i o nc i r c u i t 西南交通大学硕士研究生学位论文i i j s h o wt h a tt h ec i r c u i th a sf o l l o w i n ga b i l i t i e si n t u r n i n go f f o nt h r e s h o l d v a l u e ：v e r a c i t y ，s e n s i t i v i t y ，u l t r a l o ws u p p l ya n dp o w e rd i s s i p a t i o n ；a n d i th a ss t r o n gc o n t r o lc a p a c i t yt od r i f to ft h r e s h o l dv a l u ed u et o c h a n g e s o f s u p p l yv o l t a g ea n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：t h e r m a l s h u t d o w n ；b i c m o s ；t e m p e r a t u r es e n s o r s ； s l o w - m o v i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 i i 引言 第1 章绪论 集成电路( i c ) 于1 9 5 8 年由美国德克萨斯仪器公司发明，随着 硅平面技术的发展，2 0 世纪6 0 年代又先后发明了双极型和m o s 型两 种重要的集成电路，它标志着又电子管和晶体管制造电子时代发生 了量和质的飞越，创造了一个前所未有的、具有极强渗透力和旺盛 生命力的新兴产业一一集成电路产业。 近几年来，随着混合微电子技术的快速发展及其应用领域的不 断扩大，特别是在通信行业、计算机系统高速发展和应用领域，电子 和通信业界对手现代电子元器件( 例如大规模集成电路，即v l s i ) 、 电路小型化、高速度、低电源电压、低功耗和提高性价比等方面的 要求越来越高。”1 ，传统的双极技术虽然具有高速、电流驱动能力 强和模拟精度高等优点，但其功耗和集成度却不能适应现代v l s i 技术的发展需要。而一直作为硅锗( s i g e ) 集成电路主要技术平台的 m o s 器件及其电路虽在高集成度、低功耗、强抗干扰能力等方面有着 双极电路无法比拟的优势，但在高速、大电流驱动场合却无能为力。 可见无论是单一的c i o s ，还是单一的双极技术都无法满足v l s i 系统 多方面性能的要求”，因此融合了两种技术优势的新技术b i c m o s 器 件及其电路便是v l s i 发展的必然产物。由于最先提出b i c m o s 器件 构造思路时，双极和c i i l o s 两种技术在工艺和设备上差异较大、组合 难度较大而且成本较高，同时因应用上的需求并不迫切，所以b i c l l o s 技术发展得比较缓慢”1 。随着双极和c m o s 各自为提高电路性能和可 靠性增加了许多工艺环节，例如采用薄膜外延深槽隔离、多晶硅自对 准等新技术，使工艺复杂性和制备成本大为提高，两者工艺和设备的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 差异日趋模糊，因此并合两种技术的b i c m o s 开始发展了起来。2 0 世纪8 0 年代可以说是b i c m o s 技术发展的第一个黄金时期，从美国无 线电公司运用b i c m o s 开发的c a 3 4 4 0 运算放大器开始，到日立、哈利 斯、德克萨斯仪器( t i ) 和摩托罗拉等公司纷纷开发出b i c m o s 门阵列、 b i c m o sa p d ( d p a ) 转换器、中央微处理器( c p u ) 、静存( s r a m ) 和动存 ( d r a m ) 等基于b i c m o s 技术的产品，一直到最近其性能达到相当高的 水平。譬如8 0 年代末，1 3umb i c m o s6 4 k b 和2 5 6 k bs r a m 的存储时 间已降到1 5n s 以下，1 3umb i c m o s 门阵列包含了7 5 6 0 个元，4 k 三 端口r a m 和1 2 8 个i o 冲器的延迟时间仅0 4 5 n s ，1 3 pmb i c m o s3 2 位 c p u 的工作时间延迟减为5 5 n s ，平均传输延迟仅0 15 n s ，1 6 k pf r o m ( 可编程只读存储器) 平均功耗只有5 m w f m h z ，而维持功耗也仅有 5um w m l 。尽管c m o s 器件尺寸缩小、功能增强，b i c m o s 研发曾有所回 落，但由于近年来高速通信系统中模拟和数字混合电路应用的迫切 需要，b i c m o s 技术受到了前所未有的重视。尽管b i c m o s 更适合于数 字电路，但它也正在被越来越多地用于一些模拟电路设计中。例如， 除了构成运算放大器外，还常被用于模拟电路中的低阻抗输出级、电 压电流比较器、宽带低噪声放大器和模拟乘法器中。尽管b i c m o s 技术存在着工艺复杂和成本偏高的缺点，但其所达到的高性能却是 单一工艺所无法比拟的，因此其发展空间令人乐观。 i 。2 本文研究营景 随着集成电黪技术的广泛应用及集成度不断增加，超大烧模集 成电路芯片的功耗也在不断姻提高，龙其是一些功率集成电路。所 谓功率繁戍电路就是指霄一定受载能力，有较高电莲输入输出的芯 片，它主要应恩于电气照明设备中。功率集成电路不同予一般的薜片 在予在凰一块芯片墅不但集成了低压数字或模拟电路，也集成了高 压功率辕出电路盯1 。在本世纪初，单一芯片的功耗已经达到i o o w ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 如果是几个芯片封装在一起，它的功耗可以达到1 0 0 0 w 呻1 。此外，某 些集成电路芯片如电源器件、驱动器等，长时间工作时功率消耗往 往也很大。如果在某些异常情况( 电源短接、内部短路) 下，产生的 功耗还会急尉增大。如果这些芯片一直保持工作状态，而功耗产生 的热量又不能很快的散发出芯片，必然会使芯片温度持续升高阻。 温度的升高对芯片的稳定工作是不利的，它直接影响芯片电路的性 能，尤其是模拟电路。如果温度超过器件所允许的温度就可能对芯 片产生永久性的损害n “。 为了保护芯片使其免受温度的损坏。一方面是采用低电源电压 和低功耗电踌设计技术”2 ”，另方面是在芯片内部设置温度传感 器，进行过热保护“”。如果芯片温度超过一定值就关断芯片电路 主要功耗器件的工作，让芯片降温。因此，过热保护电路对于集成 电路而言有着十分重要的作用。 i 3 选题意义 由于b i c m o s 工艺的高速、电流驱动能力强和模拟精度高以及低 功耗、低电压的特点正被越来越多地用于一些模拟电路设计中，随 着集成度的提高必然会使功耗大大增加。而且有些长时间工作电路 和商功率电路例如电源管理芯片等也越来越多的用b i c m o s 工艺实 现。这样温度对b i c m o s 工艺芯片的影响不可忽视，因此非常有必要在 高功耗b i c m o s 工艺电路中加入过热保护。虽然现有的双极工艺和 c m o s 工艺可以兼容b i c m o s 技术工艺，但这些电路不能很好的体现 b i c m o s 的特点，电源电压和功耗相对比较高，因此设计一个完全的 b i c m o s 工艺过热保护电路符合集成电路的发展方向。 鉴于此，本文选择基于b i c m o s 技术工艺的过热保护电路作为研 究对象，是一次符合模拟电路发展方向的有价值的尝试和探索。同 时，随着s o c 时代的到来，将b i c m o s 工艺过热保护电路作为一个可 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 复用基本芯核( i pc o r e ) 进行设计研究，对于提高系统设计的效率 和成功率，充分体现s o c 中“i p 复用”的思想有十分重要的意义。 i 4 过热保护电路当前研究情况 集成于芯片内部的过热保护电路是随着集成电路的发展而发展 起来的。早先的过热保护基本是用双极工艺实现的”1 。但用双极工 艺制作的过热保护电路功耗高而且占用芯片面积比较大，作为一个 保护电路有些得不偿失。目前从低功耗及高密度集成的角度来看， c m o s i 艺的模拟集成电路结构最佳，因此，c m o s 已成为目前的主流 制作工艺“7 “。现在的过热保护电路大部分都是以c m o s 工艺实现的， 它不但可以集成在模拟电路中，而且还可以集成在数字电路中。虽 然c m o s i 艺集成电路具有低电压、低功耗、高速度的特点，但作为 过热保护电路c m o s 工艺还是存在电源电压偏高，而且电路性能如传 感器灵敏度、关断特性等也不十分理想。文献 8 中提到的c m o s 工艺 温度传感器的灵敏度只能保证在2 以内，功耗在0 1 5 m v 左右。目前 很少有文献提到用b i c m o s 工艺实现过热保护电路，文献 2 1 中提出 的过热保护电路用到了n p n 双极晶体管，这个n p n 管可以是一个横向 寄生n p n ，用华晶上华0 6 u r n 的c m o s 工艺实现，所以它不是完全意义 上的b i c m o s i 艺过热保护。虽然理论上b i c m o s 工艺可以兼容c m o s 工 艺“”圳，c m o s 过热保护电路也可以适用于b i c m o s 电路中。但是如果 结合双极工艺和c m o s 工艺的优点，可以设计出更低的电源电压和更 低的功耗，还可以实现更好的关断特性。 1 5 本论文的主要工作 本文在双极工艺和c m o s 工艺过热保护电路原理的分析、研究以及 参考大量国内外最新有关过热保护电路信息基础上提出了一种集成 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 芯片内部的b i c m o s i 艺过热保护电路，并采用0 6 u mb i c m o s i 艺参数 对电路进行模拟仿真，与现有文献中提到的过热保护电路进行比较。 结果表明该电路具有超低静态电流和低功耗，对温度灵敏度高，关 断和开启阙值点的准确性强的特点。具体内容如下； l 、分析双极工艺和c m o s 工艺过热保护电路中传感器的原理并 引出传统的过热保护电路，分析各自的优缺点。 2 、通过对国内外现有各种过热保护电路的特点和性能的比较， 结合设计目标，确定可以在微芯片上集成的基本电路，包括温度传 感器电路、过热关断实现电路、过热开启迟滞电路和启动电路，并 对电路进行了定性分析，对影响电路性能的因素提出改进措施。 。 3 、利用选定的0 6 u mb i c m o s 工艺参数模型，用h s p i c e 软件对 设计的过热保护电路进行反复模拟仿真，使电路性能达到所要求的 指标，并确定电路和器件的最佳结构和参数。该电路有可能在l d o 中 获得应用。该成果已经在核心期刊“微电子学”和“西南交通大学 学报”上发表。 该项目得到了国家自然科学基金的资助。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章过热保护电路的研究现状 2 i 过热保护电路原理 过热保护电路分两个部分实现，第部分是先用温度传感器检 测芯片的内部温度，把温度信号转变成电信号；第二部分是对电信 号进行比较，如果超过一定值就输出相反的电压信号，使后续电路 停止正常工作。当然把温度传感器放在芯片的主要功耗器件内部是 不现实的，可以把温度传感器放在最靠近主要功耗器件的旁边，再 跟据芯片材料的特性计算出功耗器件与温度传感器距离温度梯度， 这样就可以正确反映功耗区的温度。例如l d o 电源管理芯片中基本上 是把温度传感器放于功耗最大的调整管附近。精确的测量芯片的最 高温度是非常有必要的，它可以在不毁坏芯片同时允许芯片尽可能 长时间的正常工作。如果温度传感器检测的温度不精确或者烧毁芯 片或者提前温度停止芯片工作，这对芯片的工作都是不利的。 过热保护电路实现的关键是温度传感器的设计，它将产生的温 度信号转化成电压或电流信号，通常是把温度信号转变成p t a t 电流 或电压信号。p t a t ( p r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 意思 是与绝对温度成比例“圳。当温度升高时，电流也随绝对温度成比 例地增加。电流源，。，或电压源咋。，作为对温度敏感的元件，能表征 温度的变化。 目前，集成电路的片上温度传感器可以用热电偶、热敏电阻、 齐纳管、三极管的p n 结和m o s 管的弱反型区或阈值电压来做。如果集 成电路的片上温度传感器用热电偶、热敏电阻来做，不容易集成，而 且精度很低，因此不能采用“”。在双极工艺中，齐纳二极管，和 巧( 齐纳二极管的击穿电压) 的温度特性是相当可靠的，不容易受到 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 工艺流程的影响。因此这个电路的性能是比较容易得到保证的。但 是遗憾的是齐纳二极管的击穿电压一般大予5 v ，在集成电路中一般 难以产生如此高的电压。而且这个过热保护电路的功耗是相当大的， 不符合现在低功耗的发展趋势m 1 。 下面介绍用三极管的p n 结和m o s 管的弱反型区与阂值电压组成温 度传感器电路的原理。 2 1 1 三极管基射结电压温度传感器 如图2 1 ( a ) 所示，如果忽略晶体管基极电流，则其集电极的电流 等于射极电流，它们的大小关系可表示为 lc；lse妒4e|”(2-1) 式中 l 一晶体管发射极反向饱和电流，它的大小与发射极面积 成正比，与掺杂浓度成反比 肛b o l t a m a n 常数 0 一电荷量 ，一热力学温度( 绝对温度) 其中，v r 。堕为热电压，则由式( 2 1 ) 可得 g t j n ( 箬) ( 2 2 ) 其中 ，j ；a 5 孑q p f ( 2 - 3 x 4 巩 式中以一晶体管发射极面积 或一基区电子扩散系数 睨基区宽度 b 一基区杂质浓度 由于以、见、睨、虬均与温度无关，可设 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 示为 f ；兰以 睨m 哦根据爱因斯坦公式可表示为 乜一巧心 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，可得 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中n ? 为硅本征载流子浓度；以为硅的电子迁移率，可分别表 露? = c t e x p ( 一巧) 凡i d t 一7 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 中，c 、d 为与温度无关得常数，y 是与基区掺 杂浓度有关的参数，为带隙电压。 1 5 2 一t 三极晶体管基射结电压及温度特性 联立式( 2 2 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可得出 y 矗一巧l n ( ，c q t 。7c x p ( v v r ) f k c d ( 2 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 式中，与温度有关，可表示为 j c = g t 7 ( 2 一l o ) 式中g 、1 ，均为常数。 把式( 2 1 0 ) 代入( 2 - 9 ) 可得 一一咋 ( 4 一y - v ) l n t - l n ( q g k f c d ) 】 ( 2 - 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 即为晶体管基射结电压与温度瑚近似关系式。式 中坼【( 4 一r v ) l n t 项与温度有关，并通过对数关系反映出来，其变 化不显著；而v r t 幻1 项与温度成正比。与此可见，大体上随温 度减小而线性增加。如果将温度线性外推到绝对零度，达到硅的 带隙电压值v , o = t 2 0 5 v ，如图2 一l ( b ) 所示。 三极管在2 0 1 5 0 温度范围内很好的保持着这一特性。通过不 断试验，并运用统计规律，可以取其值为一2 2 m v ，即温度每上升l ，认为三极管正向电压下降2 2 m v ，而温度每下降1 ，其正向电 压上升2 2 m v 。三极管这种良好的温度特性，说明它本身就是一个很 好的温度传感器，而且容易集成。 由恒流源供电的晶体管，其基射结电压随温度升高而减小。 但是，制作在一块集成电路上的两个相同类型的晶体管，如果两者的 恒定电流密度的比值不等于l ，那么它们的。之差吒。是随温度的 升高而增加，即具有正温度系数。其原理推导如下所述。 根据晶体三极管的原理 i d i s l p 4 - “7 1 ) ( 2 1 2 ) ，c 2 一，s 2 ( e 4 ：7 ”一1 ) 当 k t q 时， ( 2 一t 3 ) ( 2 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ，。2 一i s 2 e 4 2 他7 ( 2 15 ) 如果，q 1 、q ：的几何尺寸完全相同，那么，。等于。：，将式( 2 1 4 ) 和( 2 - 15 ) 相除得 ，。1 归。2 ；e 4 - 一f 2 m ( 2 一1 6 ) 对式( 2 1 6 ) 两边取对数，整理后得 = ，一：t 坚ql n 每c ( 2 17 ) 1 t 0 q ，。4 图2 2 三极晶体管产生p t a t 电流的电路 从电路上看，正好是电阻尺，上得压降 一r 3 t 2 ( 2 一1 8 ) 如果晶体管的p 值很高，可以忽略厶的影响，认为，。一，。在电路 中，电阻r 。和r ：上的压降近似相等，所以 ，d ，。2 ；j d i ，2 = r 2 r ， 由公式( 2 一l7 ) 、( 2 - 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 可得 如= 篆n 拿f l掣( 3 ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 这就是产生p t a t 电流的公式。从公式中可以看出，。：与温度， 有关，是正温度系数，而且是线性关系。 2 1 2 弱反型区工作m o s 管温度特性 弱反型区是指( 半导体) 表面能带发生弯曲，其表面势介于本 征和强反型之间的一种工作状态。在n 沟道增强型m o s 管中，当c 或k 。；0 时，则处于截止状态，但由于栅氧化层中正电荷的作用， 沟道中仍有少量可动电荷，能够提供一定的漏电流。这种处于弱反 型区的漏电流称为“亚阈值”电流。这时，m o s 管的转移特性属于指 数特性，。随指数增加，但当增加到一定值后，。偏离指数， 进入强反型区。由于亚阖值电流的存在，使m o s 管不能彻底截止，对 逻辑电路而言，这时不希望的。但是在模拟电路中却得到很好的应 用。在集成电路的集成度不断提高的情况下，降低功耗已成为突出 的问题。因此，对m o s 管在亚阈值区的小电流条件下的研究越来越被 重视。 用m o s 管构成温度传感器就是利用m o s 管在弱反型区内饱和漏电 流的指数特性，由此组成最基本的p t a t 电流源”。 图2 3 中 f 【，、l l 【。、地三个n 沟道增强型m o s f e t 构成第一组镜像恒流 源，且其均相同，而几何形状w l 不同；m ，、m 4 两个p 沟道增强型 m o s f e t 构成第二组镜像恒流源，并与第一组恒流源组成反馈式闭合 环路。当电路启动时，环路增益职7 心7 乡包上。大于1 ， 由与电阻置的负反馈作用，当环路中电流增加使环路增益降到l 时， 环路达到平衡。这时，电阻冠上建立起稳定电压。 假设m ，、m 2 、m 。、m 。、m 。管工作在弱反型区。当m 。、 f 。两管的栅压 相等时，有 2 ；4 ( 2 2 1 ) 。= ，( 2 - 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 弱反型区工作的n 沟道增强型m o s f e t 漏电流的公式为 ，d = ，泸吩( 2 2 3 ) ，。为特征电流，与器件的尺寸有关。 由公式( 2 - 2 3 ) 可得 等= 叫w z l _ _ a 。 踟耠l ( 2 _ 2 4 ) j 4 工43 。 经整理，得到的表达式为 肾讪铣糌) ( 2 _ z s ) 式( 2 2 5 ) 表明，仅仅与热电压和器件的几何尺寸形状有关， 而与斜率因数无关。换句话说，。仅仅与温度t 有关，即为p t a t 电 压源。很显然，流过电阻r ，的电流也与温度t 成正比，则有 k 一鲁k t 糌羚 纶z s ， - - 图2 3 弱反型工作c m o s 产生p t a t 电流源电路图 为了确保i 炭p t a t 电流源的正常工作，必须做到：在整个工作温度 范围内，即使在额定的最高温度下，也应该满足在弱反型区内的工 _ - _ _ - _ _ _ _ _ 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 作条件：必须减小泄漏电流( 特别是n 沟道器件) ，以防止这些电流 成为高温误差的主要来源。为了消除横向扩散产生的误差及确保电 流镜的正常工作，各个器件的输出阻抗应足够高( 通常采用长沟道 器件) 。 2 1 3 多晶硅栅功函数差温度特性 在采用硅栅工艺的场合。可以借助反型重掺杂硅栅m o s f e t 的闽 值电压差来构成c m o s 温度传感器。通常的硅栅为n + 型重掺杂，而 c o m s 工艺则提供了制作p + 型重掺杂硅栅的方便。假设两个m o s 管的 几何形状和沟道类型完全相同，但多晶硅的掺杂类型不同，即分别 为n + 和p + 。这样，两个m o s 管的饱和漏电流一栅压的特性曲线之间 存在一个与偏置电流无关的恒电压。若假定氧化层的电荷相等，则 两者的栅压之差仅与n + 和p + 多晶硅之间的功函数有关。在c m o s 技术中，多晶硅层的掺杂浓度很高，以增大低电阻率的横向接触面。 假定两者栅压之差近似等于硅的带隙电压，则与温度之间的关 系可采用经验公式表示 p , 2 p k 锣) 一。一景二一 ( 2 2 7 ) 十； 式中亭是常数，值为7 0 2 1 0 一v x , f 是常数，值为l t o g z “、“。 2 。2 传统的过热保护电路 目前的低压低功耗过热保护电路中的传感器基本上是用上节 提到三极管的p n 结和m o s 管的弱反型区与阚值电压原理实现的，有的 用双极工艺实现，有的甩c o 艟s 工艺实现。下面根据传感器的不同介 绍两种传统的过热保护电路。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 2 2 1 双极工艺过热保护电路 图2 4 是文献 4 2 提出的双极工艺实现的过热保护电路。电路 的电源电压最低可以到达1 v 。q ，q 8 组成p t a t 电流源作为温度传感 器，q 9 q ；起电流放大作用。随着温度的升高q 9 集电极的电流也增 加，这时电阻r t 2 上的电压也增加。当温度达到过热点时，q 1 导通， 这时q 1 ：截止，电流几乎为零，输出，。也迅速降到零，起到过热关 断的作用。 通过图2 5 双极工艺电路的仿真结果可以看出，当温度到达1 3 0 左右时，实现温度关断，输出跳变。但是输出在没有到达过热点 时电流有变化，而且静态电流偏高，过热关断时，关断特性也不十 分理想，面是有一定的迟缓。在双极工艺中弥补温度关断特性不好 的方法是加入电压基准和比较器，这样输出特性就会大大改观 2 1 。 0 v c c f o 。t 名f 图2 4 双极工艺过热保护电路 但这样的电路在实现上存在的难点是电压基准和比较器韵设计 电压基准应该相当准确并只有很小的温度系数：比较器要有较高的 分辨率，并在高温下也能稳定工作。当所要设计的芯片中已有现成 的电压基准时，这种过热保护电路是值得考虑的，否则就必须考虑到 对一个保护电路来说，实现的代价是否太大。 图2 6 是文献 2 1 提出的弱反型丁十仨r 。村“，。，、。 一耋遂薰誊 电路，将连续变化的p t a t 电流源转换二：姜接i ；| ：2 竺竺温度判断 不导通，流经q 1 的龟流很小。当；姜霎：芝：。，征室温下，o j 迅速增加，直到与p t a t 源相等，j 基影詈三童巴笆娑经。l 的电流 妻意鬻；篡娑算手嘉鬣嚣嚣 过热温度点反复开关的熟振荡问题! 。“”9 吧蹭解决了电路在 纛：量圣委耋蕃差主薹薹譬薯耋薹兰一豢黧黧霸羲耋 喜7 拿蓦要露藿乏蓬纂纛墓蠡茎至晋 芝兰竺竺竺观r v 、。蠢甜 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 源下，但这样势必影响，。，测量温度的精度，使电路的过热关断特 性更差。并且即使2 7 v 、3 3 v 的电源也不能满足现在电路低电压的 要求。 船粤电路 ： 1 椰电谭 ：疆度判断电路 ； 匣馈电路 7 lii 芦拯靠 躲亭钾可_ 案：摊博嫦 机；j f 。耳 i 掣- i i o p t n般童与 + 一一 d 盖岬 m 卜 j ：陡乏心 越_ 。p j 学 2 兽芦；_ 下_ 五_ 1 辛p ”m ” r 一1 ： f，丁 ，m ti k 帅；， “s 芷： i屯。主 1，j l j o jp m ；2 茹 毒爿 舢i 。 iu n ： i l 一生 i ? ：；。 r 桫如胁。诤” p i 一 2 “州 卜 帮 i 以1 r i 量 图2 6 弱反型工作c m o s 过热保护电路全图 _ _ _ 过热探护点 。一 l2 i4 i6 t8 1“1 2 11 4 1 ”= c 图2 7 弱反型工作c i o s 过热保护电路输出随温度变化仿真图 o 5 o s o 5 o 5 o 5 0 5 4 4 3 3 2 2 ，n o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 l 蚍 1 7 0 1 6 0 1 5 0 r1 4 0 k l 1 2 0 l i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章高性能b i c m o s 过热保护电路理论与 设计 3 1 过热保护电路设计目标 通过对过热保护电路研究现状的分析，结合模拟集成电路的发 展趋势，可以看出，降低电源电压和功耗，以及良好的关断特性是 目前设计过热保护电路所要考虑的关键问题。第二章所述的各种过 热保护电路或者龟源电压不够低，或者关断特性不够好，或者温度 传感器电路感应出的温度信号不能线性转化成了电信号，所以都不 十分理想，为了达到指标要求，必须提出种新的电路结构。针对 b i c g o s 生产工艺的迅猛发展，要求所设计的电路必须兼容b i c m o s 生产工艺，这样才能具有很好的灵活性和适应性。 由于温度传感器电路能否在低压下线性感应出温度并转化成电 信号和良好的关断特性是过热保护电路的关键，所以本文将温度传 感器在尽可能低的电源电压下的性能和关断特性作为设计过热保护 电路的重要指标。 设计的过程需要反复迭代，因此在电路的拓扑设计时通常使用 解析法进行电路估算，不可能同时把影响电路工作状态的所有因素 都考虑进去，因此在优化设计过程中，利用可以高度仿真的e d a 工 具对电路中可能的主要误差因素进行了改进，并把环境或工艺变化 的影响考虑进去，使电路的性能更趋完善h ”。 因此，本文在论述电路的具体设计之前，首先要确定过热保护 电路的设计目标： l 要兼容b i c m o s 工艺； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 成 2 电源电压要低于4 v ； 3 功耗低( 不超过1 m w ) ； 4 传感器能线性感应温度，即输出的电流信号随温度线性变化； 5 温度传感器能精确感应出温度； 6 良好的温度关断特性： 7 精确的温度关断点( 设计成过热温度点为1 5 0 。c ) ； 8 精确的温度开启点( 设计成迟滞温度点为1 3 5 ) ； 9 结构简单，器件要尽可能的少以减少芯片的版图面积。 本设计完成的b i c m o s 过热保护电路主要由以下几个子电路构 1 温度传感器电路( 产生线性随温度变化的电流) 2 过热保护实现电路( 温度到达过热点时输出端电压跳变) 3 过热保护迟滞电路 4 启动电路 下面分别介绍它们的设计思想与电路结构，说明其工作原理。 西南交通丈学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 。2 温度传感器电路的设计 3 。2 。l 设计思路 由第2 章传统过热保护电路的讨论可知，采用传统的双极工艺温 度传感器虽然有较低的电源电压但无法得到精确的温度信号，而采 用c o m s 工艺的温度传感器，又不能得到低于4 v 的电源电压要求。 因此必须设计一个全新的温度传感器。 本文提出的温度传感器就是以两晶体管的k ，之差k 。是随温 度的升高而增加这一特性为基础来设计的，但采用两个三极管级联 的方式，用以提高传感器的温度灵敏度。温度传感器把温度变化信 号线性转化成p t a t 电流信号，并且考虑采用正向和反向来检测芯片 温度，即一方面产生随温度升高丽线性增抛的电流，另一方面产生 随温度升高丽线性减少的电流。 3 2 2 电路结构 本文提出的b i c m o s 温度传感器电路，如图3 - - 1 所示。 般晶体管上电流和电压的关系为： 坼l 哮) ( 3 - i ) 图3 1 中电阻墨两端的电压为： t ( 。m ) + ( o h 2 ) 一( q n l ) 一( 0 n 4 ) ( 3 2 ) 如果基极电流忽略不计，且o n 。、o n ：、q n ，、q n 。在同温度 下，则q n ，和q n ，集电极电流相等设为f ，o n ：和q n ；集电极电 流相等设为，c o 。，由此得出 v r l 坼k 睁雌i d ( 等) 雌1 i l ( 净埠l n ( 等) ( 3 _ 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 简化为： 仙锑i s , l s 4 = 仙( 筹 其中，a 是晶体管发射极面积 因为4 = a 。= 4 4 。4 如，有 v r l = 眸1 n 1 6 由此得出： 望l n l 6 i c m _ i r 】与r 由公式( 3 6 ) 可以推导出，c o u r 随温度的升高而增加 同理，可推导出 图3 1b i c n i o s 温度传感器电路 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 是正温度系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 i m p 3c 枷鳖半f 鳖 等 所以f 。为负温度系数，电流随着温度的增加而减小。 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 因此m e ，m p 2 ，q n ，、q n ：、q n 。、o n 。和r 、r 构成温度传感 器，通过电流的双向变化来监测芯片内的温度，提高了对温度变化 的灵敏度。 由公式( 3 6 ) 和( 3 8 ) 可以得知，。和f 嘟的大小只与电阻墨、 r 的阻值有关，一次尽量提高它们的阻值，就可以降低，c o u t 和，m 。电 流a 并且本文设计的正向和反相温度传感器的电流与温度基本呈线 性关系。 3 3 b i c m o s 过热保护电路的实现 3 3 1 设计思路 温度传感器检测的温度信号转换成p t a t 电流信号后，要对电流 信号进行处理，如果温度达到过热点，输出电压跳变，关闭主要功 耗器件，芯片降温。先前提出的过热保护电路，是把电流信号通过 电阻变成电压信号，达到一定电压值时，与已定的电压值进行比较， 开启或关闭某些电路，达到过热保护的目的。 本文提出的过热保护，采用正温度系数电流与负温度系数电流 比较的方式，对温度的变化比较敏感，当温度达到过热点时，输出 电压跳变。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 3 3 2 电路的实现 设计m o s 晶体管m e ，m p 2 ，m e 有相同的尺寸使它们相互组成电 流镜并工作在饱和区。电路中的m p 3 、m p 4 和m n l 、m n 2 分别有相 同的尺寸构成电流镜。 当芯片温度还没升高到过热点对，有j ，+ ，。：，驱使a 点 为高电平。此时场效应管m p 6 ，m p 7 ，m e , ，m b 是导通的，m n 3 截止， 所以有 o i = ， 。+ ，m p 9 ( 3 9 ) 这时m p 6 ，m p 7 ，m p a ，m p 4 ，m p 9 工作在线性区，而m n 。工作在饱和 区。 当温度温度升高到过热点时，有 ，。3 + 0 9 ；，舢2 ( 3 一l o ) 根据式( 2 - 1 1 ) 、( 3 - 6 ) 、( 3 - 8 ) 和( 3 1 0 ) 可以推出 一( q r y 。o + q r l r 2 ，m p 9 ) k ( 1 n 1 6 r 2 + m r l ) ( 3 一1 1 ) 式( 3 一1 1 ) 中、q 、厅、肭常数，由于流经m 马的电流受温度变 化很小可以认为k ，为一常数。，的大小由设计器件的尺寸决定。 因此可以认为过热温度点只与8 、r ：有关，基本不依赖于电源电压 和工艺参数等。 这时m p , 工作在饱和区，m n 。工作在线性区，a 点电压跳变为低 电平，b 点变为高电平。受b 点电压控制搬压的m p a 截止， m 珐，m e ，m p s 也截止，同时由于a 此时为低电平，所以m n ，导通。o u t 端输出电压控制主要功率器件停止工作，