集成温度传感器是固态传感技术和集成电路技术相结合的产物，它利用集成电路的工艺技术，将感温元件与外围电路(基准电路、线性放大、温度补偿、信号转换)集成在同一芯片上，从而和传统温度传感器相比有许多优点：体积小，功耗低，精确度高，输出特性好．
　　本传感器利用本征禁带参考电流源^［1］作为感温的核心部分，使温度传感器在32～44℃之间具有±0．1℃的准确度，满足了生物医学的要求．

1　集成温度传感器的原理
　　三极管作为温敏器件，基射电压V_BE随温度变化的关系近似表示为

V_BE＝V_BE，0－λT（1）

其中，V_BE，0为V_BE在0K时的外推值．当I_C为常数时，V_BE，0取1270mV；当I_C与绝对温度成正比时，V_BE，0取1240mV^［2］．
　　但这种关系一方面存在本征非线性顶，另一方面不直接与任何温标相对应，如集成温度传感器采用如图1所示的电流镜PTAT核心电路，才会有如图2所示正比于温度的电压输出，其中

图1　电流镜PTAT核心电路

图2　正比于温度的电压ΔV_BE

（2）

若Q₂，Q₁两管集电结面积相等，发射结面积比为n，则

（3）

流过左右支路的电流为

（4）

　　为了提高灵敏度，把Q₃和Q₄的发射结面积比设为m，则

（5）

即电流与绝对温度T成正比，此即为I_PTAT，但许多情况下要求传感器的输出与摄氏温度成正比，因此要对电路进行补偿，文献［3］提出了一种具有本征禁带宽度参考的单片温度传感器电路，原理如图3所示．

（6）

图3　本征禁带宽度参考的单片温度传感器电路

　　I₀随T的变化关系如图4所示，I₀可认为是线性变化的，显然dI₀／dT和零点温度T_Z需要根据要求来标定．

图4　I₀随T的变化关系

　　令I₀（T_Z）＝0，则

（7）

然后利用

（8）

得：

（9）

代入式(6)得：

（10）

如果I_C7I_S7，则

（11）

而，其中A为由I_PTAT决定的常数，则

（12）

忽略高阶项得：

（13）

对于η＝3．5，V_g0＝1172mV^［2］，T_Z＝0℃时，由｜T－T_Z｜＜100K所产生的非线性度为1K，由此可得：

（14）

这样可根据要求的dI₀／dT和T_Z来确定R₄．

2　电路设计
　　根据以上原理，设计集成温度传感器电路如图5所示，该电路主要由以下几部分组成：

图5　集成温度传感器电路

　　1）　Q₁～Q₆：组成PTAT核心电路，Q₂与Q₁，Q₃与Q₄均设计成发射结面积比为6的对管，输出与绝对温度成正比的电流

（15）

　　2）　Q₇～Q₁₁：构成改进型电压稳定电流镜．
　　3）　Q₁₆～Q₂₃：构成具有本征禁带宽度参考的电流源，输出电流为

（16）

如选取20℃为I_T的零点温度，T_Z＝293．15K，设温度由30～40℃变化时，I_T由0．1～2．5μA变化，即dI_T／dT＝0．15μA／℃，则由上式算得：R₁＝3．9kΩ，R₂＝30kΩ．
　　4）　Q₂₄～Q₃₆：组成平衡电路，其作用是使Q₁₆～Q₂₁电流镜的传输比不受电源电压变化的影响．

3　电路模拟结果分析
　　利用航天部691厂的生产工艺对电路的参数进行了提取，在此参数的基础上，利用PSPICE对电路做了模拟，在R₁分别取3．9kΩ，3．95kΩ和4kΩ时计算并绘制出3条I_T（T）曲线如图6所示．

图6　I_T（T）曲线

　　测得R₁＝3．9kΩ，零点温度T_Z＝20℃，dI_T／dT＝0．15μA／℃，这与理论计算结果是一致的，改变R₁的大小可改变零点温度的高低．
　　改变发射结面积比为n＝5时，绘制出I_T（T）曲线如图7所示．测得T_Z＝35℃，温度由35～59℃变化时，I_T由0～3μA变化，发射结面积比的变化，可改变测温范围，这也为其它用途集成温度传感器的设计提供了依据．

图7　I_T（T）曲线(n＝5）

参考文献：
［1］　Merjer G C M. Thermal sensors based on transistors　［J］. Sensors and Actuators, 1986, (10):103-125．
［2］　Merjer G C M, Vingerling K. Measurement of Temperature dependence of the I_C(V_BE） characteristics of Integrated bipolar transistor　［J］.IEEE J of Solid-state Circuits, 1980, Sc-15（2）：237-240．
［3］　Merjer G C M. An I_C Temperature transducer with an intrinsic reference　［J］. IEEE J of Solid-state Circuits, 1980, Sc-15（3）：370-373．