專利名稱：溫度監(jiān)測電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路，具體涉及對(duì)半導(dǎo)體集成電路的溫度進(jìn)行監(jiān) 測的電路。
背景技術(shù)：
當(dāng)集成電路的溫度高出安全工作溫度時(shí)，電路將不能正常工作，甚至?xí)?由于過流造成對(duì)集成電路中器件的損傷，因而需要溫度監(jiān)測電路對(duì)電路的溫
度進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)需要，可設(shè)定一個(gè)高溫閾值溫度T1，當(dāng)電路溫度達(dá)到T1 時(shí)，監(jiān)測電路給出一個(gè)溫度過高的指示信號(hào)。根據(jù)應(yīng)用場合，該指示信號(hào)可 用于報(bào)警電路的觸發(fā)信號(hào)，或用于時(shí)鐘信號(hào)的降頻、功率器件的關(guān)斷控制信
目前，本領(lǐng)域技術(shù)人員周知的一種溫度監(jiān)測電路如圖l所示，該電路由 以下幾個(gè)部分構(gòu)成與溫度成正比(PTAT)電流源電路，溫度傳感器，以及電 壓比較器。與溫度成正比電流源電路產(chǎn)生隨溫度升高而增大的電流，該電流 流過溫度傳感器電路的電阻R2，使A點(diǎn)電壓隨溫度升高而升高。由于正偏導(dǎo) 通的PN結(jié)電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)，溫度傳感器電路的雙極晶體管Q3的發(fā)射結(jié) 電壓Vbe，隨溫度升高而下降，因而B點(diǎn)電壓隨溫度下降。這樣，A點(diǎn)與B點(diǎn) 的電壓差隨溫度上升而增大，最終使電壓比較器的輸出翻轉(zhuǎn)。
電路與目標(biāo)工藝的兼容性和電路所占用的芯片(die)面積是集成電路設(shè) 計(jì)中必須考慮的兩個(gè)因素。數(shù)字CMOS工藝一般不提供電阻元件，即使提供了 電阻元件，也會(huì)要求增加工序和掩膜版(mask)。此外，電阻元件還會(huì)占用很 大的芯片面積。因此，圖l電路的主要缺點(diǎn)是使用了電阻元件，與數(shù)字CM0S 半導(dǎo)體工藝不兼容，增加了生產(chǎn)成本；需要的器件數(shù)量多，占用的芯片面積
大；不具有溫度滯回特性，即促使溫度監(jiān)測電路的輸出，發(fā)生指示電路溫度 過高翻轉(zhuǎn)的溫度，與促使輸出發(fā)生指示電路溫度恢復(fù)到正常范圍的翻轉(zhuǎn)的溫 度相同，當(dāng)電路溫度從低溫升至閾值溫度T1時(shí)，監(jiān)測電路輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此
后，如果溫度控制電路使電路溫度回落到T1時(shí)，而不是回落到比T1小的T2
處，電路輸出信號(hào)再次翻轉(zhuǎn)，指示溫度控制電路停止工作，此后，電路溫度
又很快上升，在T1溫度處監(jiān)測電路的輸出又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此反復(fù)，造成溫度
控制電路頻繁啟動(dòng)，而集成電路本身也不能得到充分降溫。

發(fā)明內(nèi)容
為與數(shù)字CMOS半導(dǎo)體工藝兼容，減小溫度監(jiān)測電路占用的芯片面積，降 低生產(chǎn)成本，本發(fā)明的目的在于，提供一種只采用MOS晶體管和與CMOS工藝 兼容的襯底PNP雙極晶體管(substrate PNP bipolar transistor)的，并具 有溫度滯回特性的溫度監(jiān)測電路。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種溫度監(jiān)測電路，'由電源電壓分壓電路、 多輸出電流源電路、溫度傳感器電路以及電壓放大電路構(gòu)成。整個(gè)電路不使 用電阻元件，電源電壓分壓電路采用有源電阻，即將柵極與漏極短接的MOS 晶體管，在電源線到地線間串聯(lián)的結(jié)構(gòu)；多輸出電流源電路采用將PMOS晶體 管的柵極和源極接固定參考電壓的單管結(jié)構(gòu)，或威爾遜電流源(Wilson current source)、共源共柵電流源(cascode current source)等不需要 電阻的電流源結(jié)構(gòu)；溫度傳感電路僅使用兩個(gè)發(fā)射結(jié)串聯(lián)、發(fā)射極分別與多 輸出電流源輸出端連接的襯底PNP晶體管；電壓放大電路的負(fù)載使用MOS晶體 管構(gòu)成的有源負(fù)載。電壓放大電路采用多級(jí)放大電路級(jí)連的結(jié)構(gòu)，通過在電 壓放大電路的多級(jí)放大結(jié)構(gòu)中形成正反饋回路，以控制電壓放大電路的增 益，使電路具有溫度滯回的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，在電壓放大電路中引入正反饋， 也使得對(duì)電壓放大電路的增益要求降低，并使電路的輸出信號(hào)的跳變沿陡 峭。
通過電壓放大電路對(duì)兩個(gè)串聯(lián)的正偏導(dǎo)通的PN結(jié)電壓變化進(jìn)行放大，達(dá) 到對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測的目的。
電源電壓分壓電路為多輸出電流源電路提供基準(zhǔn)電壓。電源電壓分壓電 路在實(shí)現(xiàn)上采用有源電阻在電源線到地線間串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同的電源電 壓和輸出電壓要求，只需調(diào)整串接的有源電阻的個(gè)數(shù)或器件尺寸(溝道長度
L和溝道寬度W)。例如，圖3所示的實(shí)施實(shí)例電路采用了由兩個(gè)有源電阻(Mpl 和Mn2)構(gòu)成的，具有一個(gè)輸出端A的電源電壓分壓電路。
多輸出電流源電路為溫度傳感器電路和電壓放大電路提供恒定電流。多 輸出電流源可采用多個(gè)源極接電源，柵極接固定基準(zhǔn)電壓，漏極做為電流輸 出端的PMOS晶體管實(shí)現(xiàn)，也可根據(jù)需要，采用共源共柵電流源、威爾遜電流 源等結(jié)構(gòu)復(fù)雜而交流輸出電阻大的電流源結(jié)構(gòu)。例如，圖3所示的實(shí)施實(shí)例 采用了由3個(gè)柵極和源極接固定電壓的單管(Mp2、 Mp3和Mp4)構(gòu)成的多輸出 電流源結(jié)構(gòu)。
溫度傳感器電路由兩個(gè)襯底PNP晶體管構(gòu)成。第一個(gè)PNP晶體管的基極和 集電極與地連接，發(fā)射極除與多輸出電流源的一個(gè)電流輸出端連接外還與第 二個(gè)PNP管的基極連接。第二個(gè)PNP管的集電極接地，發(fā)射極作為溫度傳感 器的輸出端，與多輸出電流源的一個(gè)輸出端和電壓放大電路的輸入端連接， 其電壓值為兩個(gè)PNP管發(fā)射結(jié)電壓VBE的和。采用兩個(gè)PNP管發(fā)射結(jié)電壓VBE 的和信號(hào)作為放大電路輸入信號(hào)的原因在于，增強(qiáng)型MOS晶體管正常工作需 要的柵源極電壓VGS約為1V左右，而單個(gè)正偏導(dǎo)通的發(fā)射結(jié)電壓VBE約為 0.7V，如果溫度傳感電路只采用一個(gè)PNP管，則溫度傳感電路的輸出電壓需 要通過電平位移電路與放大電路耦合。以上兩個(gè)PNP管采用上述連接方式是 為了滿足了襯底PNP管集電極必須與電路中的最低電位相連接的要求。
為獲得足夠的電壓增益，電壓放大電路采用多級(jí)放大電路級(jí)連的結(jié)構(gòu)， 并通過將后級(jí)電壓放大電路的輸出接回到前級(jí)電壓放大電路的有源負(fù)載管
的柵極，構(gòu)成正反饋回路。為保證該反饋為正反饋，應(yīng)注意信號(hào)的極性。例 如，將后級(jí)放大級(jí)的輸出端，與前級(jí)電壓放大電路的有源負(fù)載管的柵極連接， 以控制負(fù)載管的導(dǎo)通程度，因而控制了前級(jí)放大電路的交流小信號(hào)輸出電 阻，達(dá)到動(dòng)態(tài)控制電壓放大電路電壓增益的目的。而該回路可以是正反饋可 以通過以下過程說明當(dāng)前級(jí)電壓放大級(jí)的輸出升高，如果后級(jí)電壓放大級(jí) 輸入與輸出電壓信號(hào)變化方向相反，則后級(jí)放大電路輸出電壓下降，使前級(jí) 放大電路的PMOS負(fù)載管導(dǎo)通程度提高，將前級(jí)放大電路的輸出端電壓進(jìn)一步 向電源方向拉進(jìn)，反之亦然。
該溫度監(jiān)測電路的特點(diǎn)是只采用了MOS晶體管和與CMOS工藝兼容的襯
底PNP晶體管，無電阻元件，因而不僅能夠采用模擬CMOS工藝和BiCMOS工藝， 也能采用數(shù)字CMOS工藝加工；電路結(jié)構(gòu)簡單，使用的元器件數(shù)量少，需要的 芯片面積??；通過在電壓放大電路中引入正反饋回路，使電路具有溫度滯回 特性；適合于低電源電壓工作，要求的最低電壓為電壓分壓電路中串聯(lián)的有 源電阻柵源極電壓VGS之和。


圖1是傳統(tǒng)溫度監(jiān)測電路結(jié)構(gòu)。 圖2是本發(fā)明的溫度監(jiān)測電路的結(jié)構(gòu)框圖。 圖3是本發(fā)明溫的度監(jiān)測電路的一個(gè)實(shí)施實(shí)例。 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的溫度監(jiān)測電路的一個(gè)實(shí)施實(shí)例電路如圖3所示，包括電源電壓 分壓電路IO、多輸出電流源電路20、溫度傳感器電路30以及由共源極放大級(jí) 和反向器放大級(jí)構(gòu)成的電壓放大電路40。
所述電源電壓分壓電路10為作為有源電阻的PMOS晶體管Mpl的源極與 電源連接，柵極與漏極短接，并與A點(diǎn)連接，作為有源電阻的麗OS晶體管Mnl
的源極接地，柵極與漏極短接，并也與A點(diǎn)連接，A點(diǎn)為電源電壓分壓電路的 輸出端。
所述多輸出電流源電路20，包括了源極與電源連接，柵極與電壓分壓電 路輸出端A點(diǎn)連接的PM0S晶體管Mp2、 Mp3和Mp4，它們的漏極為多輸出電流源 輸出端，分別與溫度傳感器電路中的襯底PNP管Q1、 Q2的集電極，和電壓放 大電路中的共源放大NMOS管Mn2的漏極連接。
所述溫度傳感器電路30為襯底PNP管Q1的基極、集電極與地連接，發(fā) 射極與Mp2管的漏極和第二個(gè)襯底PNP管Q2的基極連接；襯底PNP管Q2的發(fā)射 極與PM0S管Mp3的漏極連接，基極與襯底PNP管Ql的發(fā)射極和Mp2管的漏極連 接，集電極與地連接；B點(diǎn)為溫度傳感電路的輸出端，其電壓為Q1管發(fā)射結(jié) 電壓VBEQ1和Q2管發(fā)射結(jié)電壓VBEQ2的和，其溫度系數(shù)與Q1、 Q2管發(fā)射結(jié)的溫 度系數(shù)相同。
所述電壓放大電路40電壓放大電路采用多級(jí)放大電路級(jí)連的結(jié)構(gòu)，由 PM0S晶體管Mp5、 Mp6，和NM0S晶體管Mn2、 Mn3構(gòu)成，Mn2的源極接地，柵極 接溫度傳感器電路的輸出端B，漏極與Mp5管的漏極和多輸出電流源的Mp4管 的漏極，以及Mp6管、Mn3管的柵極連接，Mp5管的源極與電源連接，柵極與Mp6 管、Mn3管的漏極連接，Mp6管的源極與電源連接，Mn3管的源極與地連接。
通過在電壓放大電路的多級(jí)放大結(jié)構(gòu)中形成正反饋回路，以控制電壓放 大電路的增益，使電路具有溫度滯回的動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)，在電壓放大電路中 引入正反饋，也使得對(duì)電壓放大電路的增益要求降低，并使電路的輸出信號(hào) 的跳變沿陡峭。
下面對(duì)圖3所示的溫度監(jiān)測電路實(shí)施實(shí)例的工作原理進(jìn)行闡述。 隨著溫度上升，由于溫度傳感器電路中，襯底PNP晶體管Q1、 Q2的發(fā)射 結(jié)電壓VBE具有負(fù)的溫度系數(shù)，B點(diǎn)電壓隨溫度上升而下降，而電壓放大電路 中，C點(diǎn)電壓隨之上升，D點(diǎn)電壓下降。當(dāng)電路溫度上升到高溫閾值溫度T1
時(shí)，Mp5管開始導(dǎo)通，使C點(diǎn)電壓進(jìn)一步上升，這樣，從C點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)反相器放
大級(jí)，再通過Mp5管回到C點(diǎn)，構(gòu)成了一個(gè)正反饋回路，使D點(diǎn)電壓迅速跳變 為低電平，指示芯片溫度達(dá)到了高溫閾值溫度T1。此時(shí)，由于D點(diǎn)電壓為低， Mp5管工作在非飽和區(qū)，使共源極電壓放大電路的等效交流小信號(hào)輸出電阻 低于Mp5管關(guān)斷時(shí)的值，電壓放大增益變小，電路對(duì)B點(diǎn)電壓的變化，也即溫 度的變化的響應(yīng)靈敏度降低。此后，當(dāng)芯片溫度回落時(shí)，溫度監(jiān)測電路的輸 出將不能在T1溫度處跳變回到高電平，而需等待芯片溫度降到比T1低的低溫 閾值T2處跳變，使監(jiān)測電路具有了溫度滯回特性。在溫度下降過程中，正反 饋回路依然起作用當(dāng)溫度下降到低溫閾值溫度T2時(shí)，B點(diǎn)電壓上升，C點(diǎn)電 壓下降，D點(diǎn)電壓上升，Mp5管導(dǎo)通程度減弱，使C點(diǎn)電壓進(jìn)一步下降。該正 反饋回路保證了監(jiān)測電路輸出信號(hào)在低溫閾值溫度T2處，也能夠可靠的、迅 速的發(fā)生跳變。
權(quán)利要求
1.一種溫度監(jiān)測電路，其特征在于，該溫度監(jiān)測電路由電源電壓分壓電路、多輸出電流源電路、溫度傳感器電路以及電壓放大電路構(gòu)成，電源電壓分壓電路與多輸出電流源電路連接，多輸出電流源電路分別與溫度傳感器電路、電壓放大電路相連，整個(gè)電路不使用電阻元件；其中所述的電源電壓分壓電路采用有源電阻，即將柵極與漏極短接的MOS晶體管，在電源線到地線間串聯(lián)的結(jié)構(gòu)；所述的多輸出電流源電路采用將PMOS晶體管的柵極和源極接固定參考電壓的單管結(jié)構(gòu)，或威爾遜電流源、共源共柵電流源不需要電阻的電流源結(jié)構(gòu)；所述的溫度傳感器電路僅使用兩個(gè)發(fā)射結(jié)串聯(lián)、發(fā)射極分別與多輸出電流源輸出端連接的襯底PNP晶體管，電壓放大電路的負(fù)載使用MOS晶體管構(gòu)成的有源負(fù)載；所述的電壓放大電路采用多級(jí)放大電路級(jí)連的結(jié)構(gòu)，通過在電壓放大電路的多級(jí)放大結(jié)構(gòu)中形成正反饋回路，以控制電壓放大電路的增益，使電路具有溫度滯回的動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)，在電壓放大電路中引入正反饋，也使得對(duì)電壓放大電路的增益要求降低，并使電路的輸出信號(hào)的跳變沿陡峭。
2. 如權(quán)利要求1所述的溫度監(jiān)測電路，其特征是所述的溫度傳感電路 由兩個(gè)襯底PNP晶體管構(gòu)成，第一個(gè)襯底PNP管的基極和集電極與地線連 接，發(fā)射極與電流源的一個(gè)輸出端連接，第二個(gè)PNP晶體管的基極與第一 個(gè)PNP晶體管的發(fā)射極連接，集電極與地線連接，發(fā)射極與電流源的一個(gè) 輸出端連接。
3. 如權(quán)利要求l所述的溫度監(jiān)測電路，其特征是所述的電壓放大電路由 多級(jí)放大電路級(jí)連構(gòu)成，通過將后級(jí)電壓放大級(jí)的輸出端與前級(jí)放大級(jí)的有 源負(fù)載管的柵極連接，以構(gòu)成正反饋回路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠識(shí)別集成電路芯片溫度是否超出安全工作區(qū)的溫度監(jiān)測電路。它是通過電壓放大電路，對(duì)流過恒定電流的正向偏置導(dǎo)通的PN結(jié)電壓隨溫度的變化進(jìn)行監(jiān)測。整個(gè)溫度監(jiān)測電路由電壓分壓電路、多輸出電流源電路、溫度傳感電路以及電壓放大電路構(gòu)成。整個(gè)電路沒有使用電阻元件通過在電壓放大電路的多級(jí)放大結(jié)構(gòu)中形成正反饋回路，以控制電壓放大電路的增益，使電路具有溫度滯回的動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)，在電壓放大電路中引入正反饋，也使得對(duì)電壓放大電路的增益要求降低，并使電路的輸出信號(hào)的跳變沿陡峭。
文檔編號(hào)H03K17/687GK101105413SQ200710018430
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月8日
發(fā)明者汪西虎 申請(qǐng)人:中國航天時(shí)代電子公司第七七一研究所