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芯片设计中的温度传感器与片上热监测电路.docx

更新时间：2026-08-06 08:28:09 大小：39K 上传用户：江岚查看TA发布的资源 标签：芯片设计温度传感器 下载积分：2分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

芯片设计中的温度传感器与片上热监测电路

引言

温度监测在芯片热管理、功耗优化和可靠性保障中发挥着至关重要的作用。片上温度传感器通过在芯片内部集成温度检测电路，实时监测芯片各区域的温度分布，为动态电压频率调节、功率门控和热保护提供温度反馈。随着芯片集成度的提高和功耗密度的增加，芯片内部的热点温度可能超过100°C，对芯片性能和可靠性构成威胁。片上温度传感器需要在紧凑的芯片面积内实现高精度、低功耗和快速响应的温度测量。CMOS工艺中的寄生PN结温度传感器和数字温度传感器是最常用的片上温度传感器类型。寄生PN结温度传感器利用PN结的正向电压与温度成反比的特性，通过测量ΔVBE实现高精度的温度测量。数字温度传感器利用CMOS工艺中的延时温度特性，通过环振频率测量温度，面积小、功耗低，适合大规模集成。近年来，片上温度传感器在精度、分辨率和响应速度方面取得了显著进步，在CPU、GPU和SoC芯片中实现了热管理功能。本节将系统论述温度传感器与片上热监测电路的设计原理、关键技术和系统集成，涵盖PN结温度传感器、数字温度传感器、温度传感器阵列和热管理应用。

PN结温度传感器

基本原理

PN结的正向电压VBE与温度成反比关系，在恒流偏置下，VBE的温度系数约为–1.5 mV/°C。通过测量两个不同电流密度下的VBE差值（ΔVBE），可得到与绝对温度成正比的电压（PTAT），ΔVBE的温度系数为正。通过组合CTAT的VBE和PTAT的ΔVBE，可获得温度系数趋近于零的参考电压，同时从PTAT电压中提取温度信息。

电路实现

PN结温度传感器的电路实现包括：偏置电路：为PN结提供精确的偏置电流，通过电流镜产生PTAT电流，为PN结提供与温度成正比的偏置；ΔVBE产生：通过两个不同电流密度下的PN结，产生ΔVBE电压，通过斩波稳定技术消除运放的失调；模数转换：将ΔVBE电压转换为数字信号，在ADC中，ΔVBE通过ΔΣ调制器或SAR ADC数字化。


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