4-비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기를 내장한 2.5V 0.25㎛ CMOS 온도 센서

Abstract

본 논문에서는 칩 내부의 온도를 측정하기 위한 CMOS 온도 센서가 제안된다. 제안하는 온도 센서는 칩 내부의 온도에 비례하는 전압을 생성하는 proportional-to-absolute-temperature (PTAT) 회로와 디지털 인터페이스를 위한 4-비트 아날로그-디지털 변환기로 구성된다. 소면적을 가지는 PTAT 회로는 CMOS 공정에서 vertical PNP 구조를 이용하여 설계된다. 온도변화에 둔감한 저전력 4-비트 아날로그-디지털 변환기를 구현하기 위해 아날로그 회로를 최소로 사용하는 축차근사형 아날로그-디지털 변환기가 이용되며, 이를 위해 커패시터-기반 디지털-아날로그 변환기와 시간-도메인 비교기를 이용한다. 제안된 온도 센서는 2.5V <TEX>$0.25{\mu}m$</TEX> 1-poly 6-metal CMOS 공정에서 제작되었고, <TEX>$50{\sim}150^{\circ}C$</TEX> 온도 범위에서 동작한다. 구현된 온도 센서의 면적과 전력 소모는 각각 <TEX>$130{\times}390{\mu}m^2$</TEX>과 <TEX>$868{\mu}W$</TEX>이다. In this paper, a CMOS temperature sensor is proposed to measure the internal temperature of a chip. The temperature sensor consists of a proportional-to-absolute-temperature (PTAT) circuit for a temperature sensing part and a 4-bit analog-to-digital converter (ADC) for a digital interface. The PTAT circuit with the compact area is designed by using a vertical PNP architecture in the CMOS process. To reduce sensitivity of temperature variation in the digital interface circuit of the proposed temperature sensor, a 4-bit successive approximation (SA) ADC using the minimum analog circuits is used. It uses a capacitor-based digital-to-analog converter and a time-domain comparator to minimize power consumption. The proposed temperature sensor was fabricated by using a <TEX>$0.25{\mu}m$</TEX> 1-poly 6-metal CMOS process with a 2.5V supply, and its operating temperature range is from 50 to <TEX>$150^{\circ}C$</TEX>. The area and power consumption of the fabricated temperature sensor are <TEX>$130{\times}390{\mu}m^2$</TEX> and <TEX>$868{\mu}W$</TEX>, respectively.