一种带热滞回功能的CMOS温度保护电路
一种带热滞回功能的cmos温度保护电路
0 引 言
随着集成电路技术的广泛应用及集成度的不断增加，超大规模集成电路(vlsi)的功耗、芯片内部的温度不断提高，温度保护电路已经成为了众多芯片设计中必不可少的一部分。本文在csmc 0．5／μm cmos工艺下，设计一种适用于音频功放的高精度带热滞回功能温度保护电路。
1 电路结构设计
整个电路结构可分为启动电路、ptat电流产生电路、温度比较及其输出电路。下面详细介绍各部分电路的设计以及实现。文中所设计的温度保护整体电路图如图1所示。
1．1 启动电路
在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题，那就是“简并”偏置点的存在，每条支路的电流可能为零，即电路不能进入正常工作状态，故必须添加启动电路，以便电源上电时摆脱简并偏置点。上电瞬间，电容c上无电荷，m7栅极呈现低电压，m7～m9导通，pd(低功耗引脚)为低电平，m3将m6栅压拉高，由于设计中m2宽长比较小，而此时又不导通，q1～q4支路导通，电路脱离“简并点”；随着m6栅电位的继续升高，m2导通，m3源电位急剧降低，某时刻m3被关断，启动电路与偏置电路实现隔离，电容c两端电压恒定，为m7提供合适的栅压，偏置电路正常工作。然而，当pd为高电平时，m4导通，将m6，m10的栅电位拉低，使得整个电路处于低功耗状态。
1．2 ptat电流产生电路
在这一部分，m11,m12,m14,m15组成低压共源共栅电流镜，并且有相同的宽长比，使两条支路电流相等。该结构与一般的共源共栅结构相比，可以提高等效沟道长度，从而增大输出电阻，提高电路的psrr性能；并且这种两管组合结构可消耗较低的电压压降，从而增大输出电压摆幅，改善芯片低压工作特性。如图1所示，为了使共源共栅电流镜正常工作，必须满足m14和m15同时工作在饱和区，设m15的栅极偏置电压为vb，m14和m15的漏端电压分别为va和vb，即：
选择m15的尺寸，使它的过驱动电压始终小于一个阈值电压，确保不等式成立，则选择合适的vb，即可使m11，m12和m14，m15消耗的电压余度最小，值为两个过驱动电压。
与此同时，m7～m10这条支路为偏置电路提供了负反馈，以减小电源电压对偏置电流的影响，使得电路在平衡状态时保证x，y两点电压相等。然而，反馈的引入也为偏置电路引入了不稳定的因素，这里m13和m7构成了一个两级闭环运放，为保证偏置电路的稳定，必须进行补偿。通过电容c将主极点设置在第一级运放m13的输出端，从而保证了电路的稳定性。若q3发射区的面积是q4发射区面积的n倍，流过的电流大小均为i，则：
式中：vbe=vtln(ic／is)=(kt／q)ln(ic／is)；k是波尔兹曼常数；t是绝对温度；q是电子电荷。饱和电流is与发射区面积成正比，即is3=nis4。
因此：
由式(9)可知，流经r1的电流与电源无关，只与绝对温度成正比，即得到ptat电流。
1．3 温度比较及输出电路
由于晶体管的be结正向导通电压具有负温度系数；ptat电流进行i-v变换产生电压具有正温度特性；利用这两路电压不同的温度特性来实现温度检测，产生过温保护信号的输出。
m26～m30，m33，m34构成一个两级开环比较器，反相器的接入是为了满足高转换速率的要求。m31，m32是低功耗管，m23～m25的作用是构成一个正反馈回路，以防止在临界状态发生不稳定性，同时又为电路产生了滞回区间。
比较器的两个输入端电压分别记为vq和vr；m17～m22用来镜像基准源电路产生的ptat电流，这里它们与m14有着相同的宽长比。因此流经这三条支路的电流都为iptat。在常温下，m25截止，r2完成对ptat电流的i-v变换，即vr=2iptatr2，此时vr
2 仿真结果及分析
以下是对各部分电路进行仿真的结果，仿真工具是candence spectre，模型采用华润上华公司的0．5μm的n阱cmos工艺。
图2是ptat电流随温度变化曲线。仿真结果表明，该曲线线性度较好，符合ptat电流特性。常温下，在电源为5 v的情况下，功耗仅为0．4 mw。可见，其功耗非常低。
图3是在电源电压为5 v时，vr和vq随温度变化的曲线。图中，vr上的电压有一个小的阶跃，是因为在比较器翻转时由于正反馈的作用电流突然增大的结果。
图4是温度分别从0～150℃和150～0℃扫描时比较器输出状态的变化。由图可见，当温度由低到高上升至84．1℃时，电路输出状态由低电平翻转成高电平，实现了芯片的过温保护；只有当温度回落到72℃时，电路才恢复原状态，实现了约12℃的滞回温度。改变图1中r2的阻值可以调节温度范围，以满足不同的需求。
3 结 语
为保证芯片在工作时不因温度过高而被损坏，温度保护电路是必须的。这里所设计的温度保护电路对温度灵敏性高，功耗低，其热滞回功能能有效防止热振荡现象的发生，相比一般单独使用晶体管be结的温度保护电路具有更高的灵敏度和精度，可广泛用于各种功率芯片内部。
function imgzoom(id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $(id).width; var m = 650; if(w < m){return;} else{ var h = $(id).height; $(id).height = parseint(h*m/w); $(id).width = m; } } window.onload = function() { var imgs = $(content).getelementsbytagname(img); var i=0; for(;i
PWM电源控制器拓扑结构及仿电流感测信号技术
区块链将推动创新公司的快速发展
人工智能定义是什么
华为P10怎么样？华为P10行货版抢先体验
双金属温度计怎么读数_双金属温度计使用维护
一种带热滞回功能的CMOS温度保护电路
微流控电阻抗技术检测蜜蜂孢子
黑龙江副省长王岚会见西井科技董事长谭黎敏
GaussDB数据类型转换介绍
上海布局研发新一代“中国芯”！联发科禁售中兴事件完全是乌龙
补贴新政三缄其口 动力电池企业或将降价20%
激光电视，未来发展前景光明
三星Galaxy S20系列手机保护壳曝光，加入了全新的天蓝色配色
谐波用什么仪器测量？
万兆单模光模块OSX010000：网络技术的飞跃与挑战
自动凯氏定氮仪的使用说明以及它的使用效果
Chainlink希望通过与谷歌合作来整合区块链以外的数据
疫情催生无接触式购物，无人零售正在迎来最好的时代
智能孢子捕捉仪的使用说明及使用效果的详解
高精度电压源
0 引 言
随着集成电路技术的广泛应用及集成度的不断增加，超大规模集成电路(vlsi)的功耗、芯片内部的温度不断提高，温度保护电路已经成为了众多芯片设计中必不可少的一部分。本文在csmc 0．5／μm cmos工艺下，设计一种适用于音频功放的高精度带热滞回功能温度保护电路。
1 电路结构设计
整个电路结构可分为启动电路、ptat电流产生电路、温度比较及其输出电路。下面详细介绍各部分电路的设计以及实现。文中所设计的温度保护整体电路图如图1所示。
1．1 启动电路
在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题，那就是“简并”偏置点的存在，每条支路的电流可能为零，即电路不能进入正常工作状态，故必须添加启动电路，以便电源上电时摆脱简并偏置点。上电瞬间，电容c上无电荷，m7栅极呈现低电压，m7～m9导通，pd(低功耗引脚)为低电平，m3将m6栅压拉高，由于设计中m2宽长比较小，而此时又不导通，q1～q4支路导通，电路脱离“简并点”；随着m6栅电位的继续升高，m2导通，m3源电位急剧降低，某时刻m3被关断，启动电路与偏置电路实现隔离，电容c两端电压恒定，为m7提供合适的栅压，偏置电路正常工作。然而，当pd为高电平时，m4导通，将m6，m10的栅电位拉低，使得整个电路处于低功耗状态。
1．2 ptat电流产生电路
在这一部分，m11,m12,m14,m15组成低压共源共栅电流镜，并且有相同的宽长比，使两条支路电流相等。该结构与一般的共源共栅结构相比，可以提高等效沟道长度，从而增大输出电阻，提高电路的psrr性能；并且这种两管组合结构可消耗较低的电压压降，从而增大输出电压摆幅，改善芯片低压工作特性。如图1所示，为了使共源共栅电流镜正常工作，必须满足m14和m15同时工作在饱和区，设m15的栅极偏置电压为vb，m14和m15的漏端电压分别为va和vb，即：
选择m15的尺寸，使它的过驱动电压始终小于一个阈值电压，确保不等式成立，则选择合适的vb，即可使m11，m12和m14，m15消耗的电压余度最小，值为两个过驱动电压。
与此同时，m7～m10这条支路为偏置电路提供了负反馈，以减小电源电压对偏置电流的影响，使得电路在平衡状态时保证x，y两点电压相等。然而，反馈的引入也为偏置电路引入了不稳定的因素，这里m13和m7构成了一个两级闭环运放，为保证偏置电路的稳定，必须进行补偿。通过电容c将主极点设置在第一级运放m13的输出端，从而保证了电路的稳定性。若q3发射区的面积是q4发射区面积的n倍，流过的电流大小均为i，则：
式中：vbe=vtln(ic／is)=(kt／q)ln(ic／is)；k是波尔兹曼常数；t是绝对温度；q是电子电荷。饱和电流is与发射区面积成正比，即is3=nis4。
因此：
由式(9)可知，流经r1的电流与电源无关，只与绝对温度成正比，即得到ptat电流。
1．3 温度比较及输出电路
由于晶体管的be结正向导通电压具有负温度系数；ptat电流进行i-v变换产生电压具有正温度特性；利用这两路电压不同的温度特性来实现温度检测，产生过温保护信号的输出。
m26～m30，m33，m34构成一个两级开环比较器，反相器的接入是为了满足高转换速率的要求。m31，m32是低功耗管，m23～m25的作用是构成一个正反馈回路，以防止在临界状态发生不稳定性，同时又为电路产生了滞回区间。
比较器的两个输入端电压分别记为vq和vr；m17～m22用来镜像基准源电路产生的ptat电流，这里它们与m14有着相同的宽长比。因此流经这三条支路的电流都为iptat。在常温下，m25截止，r2完成对ptat电流的i-v变换，即vr=2iptatr2，此时vr
以下是对各部分电路进行仿真的结果，仿真工具是candence spectre，模型采用华润上华公司的0．5μm的n阱cmos工艺。
图2是ptat电流随温度变化曲线。仿真结果表明，该曲线线性度较好，符合ptat电流特性。常温下，在电源为5 v的情况下，功耗仅为0．4 mw。可见，其功耗非常低。
图3是在电源电压为5 v时，vr和vq随温度变化的曲线。图中，vr上的电压有一个小的阶跃，是因为在比较器翻转时由于正反馈的作用电流突然增大的结果。
图4是温度分别从0～150℃和150～0℃扫描时比较器输出状态的变化。由图可见，当温度由低到高上升至84．1℃时，电路输出状态由低电平翻转成高电平，实现了芯片的过温保护；只有当温度回落到72℃时，电路才恢复原状态，实现了约12℃的滞回温度。改变图1中r2的阻值可以调节温度范围，以满足不同的需求。
3 结 语
为保证芯片在工作时不因温度过高而被损坏，温度保护电路是必须的。这里所设计的温度保护电路对温度灵敏性高，功耗低，其热滞回功能能有效防止热振荡现象的发生，相比一般单独使用晶体管be结的温度保护电路具有更高的灵敏度和精度，可广泛用于各种功率芯片内部。
function imgzoom(id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $(id).width; var m = 650; if(w < m){return;} else{ var h = $(id).height; $(id).height = parseint(h*m/w); $(id).width = m; } } window.onload = function() { var imgs = $(content).getelementsbytagname(img); var i=0; for(;i
PWM电源控制器拓扑结构及仿电流感测信号技术
区块链将推动创新公司的快速发展
人工智能定义是什么
华为P10怎么样？华为P10行货版抢先体验
双金属温度计怎么读数_双金属温度计使用维护
一种带热滞回功能的CMOS温度保护电路
微流控电阻抗技术检测蜜蜂孢子
黑龙江副省长王岚会见西井科技董事长谭黎敏
GaussDB数据类型转换介绍
上海布局研发新一代“中国芯”！联发科禁售中兴事件完全是乌龙
补贴新政三缄其口 动力电池企业或将降价20%
激光电视，未来发展前景光明
三星Galaxy S20系列手机保护壳曝光，加入了全新的天蓝色配色
谐波用什么仪器测量？
万兆单模光模块OSX010000：网络技术的飞跃与挑战
自动凯氏定氮仪的使用说明以及它的使用效果
Chainlink希望通过与谷歌合作来整合区块链以外的数据
疫情催生无接触式购物，无人零售正在迎来最好的时代
智能孢子捕捉仪的使用说明及使用效果的详解
高精度电压源