片上集成的CMOS温度传感器集成了温度传感电路和信号处理电路,可检测芯片和环境温度,具有低成本、低功耗的优点。但是由于工艺偏差等非理想因素的限制,CMOS温度传感器比传统温度传感器测温范围窄、精度差。本文分析了双极晶体管的温度和工艺特性,克服了限制CMOS温度传感器精度的各种非理想因素的限制,实现了高精度的CMOS温度传感器。设计的CMOS温度传感器由基于衬底寄生PNP管的温度传感电路和低速高精度模数转换器两部分电路组成。温度传感电路在传统的PNP管BGR(带隙基准源)电路基础上,充分利用CMOS工艺下可实现的双极型晶体管的温度和工艺特性,采用独立的PTAT偏置、斩波稳零、动态匹配以及二阶非线性补偿等措施消除非理想因素的影响。低速高精度模数转换器包含Σ-Δ调制器和数字抽取滤波器两部分,论文分别采用1阶和4阶Σ-Δ调制器进行噪声整形,以满足功耗和精度的折衷。论文设计的温度传感器在SMIC 0.18um 1P6M工艺下实现,核心芯片面积0.5×0.6mm~2,芯片电源电压1.8V,总体功耗2.5mW。芯片测试结果表明,温度误差小于±1℃(0-80℃)。在此基础上,论文对电路进行改进,提高了传感精度,后仿真结果表明,在-50-100℃范围内最大温度误差小于±0.3℃。本文的主要工作和创新点如下:1.设计了中等精度和高精度两款片上集成的CMOS温度传感器。传感器核心电路中采用了动态匹配、斩波稳零等精密技术,实现了高精度的温度传感;高精度Σ-ΔADC可采用1阶和4阶Σ-Δ调制器分别实现低功耗和高精度要求。测试或仿真表明,所设计的CMOS温度传感器满足低功耗高精度的设计要求。2.分析了双极型晶体管的温度和工艺特性,对比了CMOS工艺下可实现的两种寄生双极型晶体管的温度特性,选取衬底寄生PNP管作为温度传感的核心器件,对衬底寄生PNP管的各种非理想特性作了定量分析,并提出相应的措施消除非理想特性的影响。3.建立了宽带高精度的级联Σ-Δ调制器的行为级仿真模型,模型中综合考虑了运放的建立特性、噪声、积分电容的失配以及增益衰减因子等各种因素对调制器性能的影响,为电路设计确定指标。4.提出了一种双频积分电路,减小采样电容,积分电容降为原来的一半,大大减小了芯片面积。