低功耗單片集成溫度傳感器的研究.pdf

1、隨著人類探索領(lǐng)域的拓展，探測(cè)儀器經(jīng)常會(huì)工作于較為嚴(yán)苛的溫度環(huán)境中。如何保證探測(cè)儀器可靠的工作是人們重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題之一。另外，隨著人們生活水平的提高，健康成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的話題。作為檢測(cè)身體狀況是否正常的一項(xiàng)基本指標(biāo)，體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倍受人們重視。這些問(wèn)題的解決都需依賴溫度傳感器這一重要部件。然而，隨著系統(tǒng)小型化、便攜化以及低成本需求的不斷增長(zhǎng)，使得基于特殊材料或者薄膜制備而成的分立式溫度傳感器的應(yīng)用受到了較大限制。為了應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，集成

2、溫度傳感器孕育而生，并且因其良好的可植入性而迅速受到了人們的青睞。
　　在2005年以前，集成溫度傳感器均以電壓域的工作原理研發(fā)制作而成，其具有較高的精度和較小的測(cè)量誤差。由于模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-digital converter，ADC）是該溫度傳感器系統(tǒng)的核心部件之一，因此，該類集成溫度傳感器的設(shè)計(jì)難度較大，且系統(tǒng)功耗不易降低。在2005年，一種新工作模式的集成溫度傳感器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其主要依靠量化與溫度相

3、關(guān)的延遲時(shí)間來(lái)獲得溫度信息，故稱之為時(shí)域集成溫度傳感器。該類集成溫度傳感器采用時(shí)間-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器（Time-to-digital converter，TDC）來(lái)作為數(shù)字輸出碼的轉(zhuǎn)換器，使溫度傳感器全數(shù)字集成成為了可能，有效地降低了集成溫度傳感器的設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用成本。然而，作為溫度感應(yīng)電路的延遲單元不僅對(duì)電源電壓以及工藝變化敏感，其延遲時(shí)間對(duì)溫度變化的非線性還會(huì)引起較大的溫度測(cè)量誤差，從而該類集成溫度傳感器在需求較高精度和較低測(cè)量誤差的

4、應(yīng)用場(chǎng)合受到了制約。為此，本文對(duì)集成溫度傳感器進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并提出了一種結(jié)合了電壓域工作特點(diǎn)的基于時(shí)域量化的集成溫度傳感器。該傳感器在實(shí)現(xiàn)溫度分辨精度可調(diào)的情況下，保持了較低的功耗和較小的芯片面積。
　　論文的主要內(nèi)容包括精度可調(diào)的低功耗單片集成溫度傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)研究和分析了集成溫度傳感器中的溫度感應(yīng)電路、時(shí)鐘電路以及模擬-頻率轉(zhuǎn)換器（Analog-to-freqency converter，AFC）：

5、r>　　1.基于時(shí)域量化器的精度可調(diào)的低功耗單片集成溫度傳感器。采用輸出是與溫度成正比（Proportional-to-absolute-temperature，PTAT）的電流的模擬電路來(lái)作為溫度傳感器中的溫度感應(yīng)電路，以消除傳統(tǒng)時(shí)域集成溫度傳感器溫度分辨率受限于“門(mén)”電路結(jié)構(gòu)的溫度感應(yīng)電路的問(wèn)題。通過(guò)將溫度轉(zhuǎn)換為頻率并對(duì)其進(jìn)行量化來(lái)獲得溫度信息的數(shù)字碼輸出，從而僅需改變參考時(shí)鐘頻率即可對(duì)集成溫度傳感器的精度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得所提出的集成

6、溫度傳感器能夠更好的適用于多種場(chǎng)合。針對(duì)現(xiàn)有集成溫度傳感器均需要外部時(shí)鐘源這一情況，論文提出一種將時(shí)鐘源內(nèi)置的溫度傳感器架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了溫度傳感器的單片集成。考慮到集成電路制作過(guò)程中存在器件失配和電路偏差，本文采用相同結(jié)構(gòu)的振蕩器電路來(lái)分別作為參考時(shí)鐘和AFC，以降低振蕩電路偏差對(duì)傳感器性能的影響。
　　2.基于MOSFET亞閾區(qū)泄漏電流溫度特性補(bǔ)償?shù)臏囟雀袘?yīng)電路。針對(duì)已有非線性溫度補(bǔ)償技術(shù)電路單元多，且需求額外功耗等問(wèn)題，本文提

7、出了一種基于MOS管亞閾區(qū)泄漏電流溫度特性的溫度補(bǔ)償方法。論文通過(guò)對(duì)亞閾區(qū)MOSFET泄漏電流的研究得到該電流隨溫度變化的關(guān)系，并將其用于對(duì)溫度感應(yīng)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)閾值電壓 MOS晶體管（Dynamic threshold-voltage MOSFET，DTMOS）的自偏置有源電阻電路來(lái)作為集成溫度傳感器的溫度感應(yīng)電路，以進(jìn)一步減小電路面積并提高輸出信號(hào)隨溫度變化的線性度。
　　3.基

8、于張弛振蕩器的片上時(shí)鐘和AFC電路設(shè)計(jì)。由于環(huán)形振蕩器相較張弛振蕩器對(duì)集成電路制作工藝（Process）、電源電壓（Supply voltage）及環(huán)境溫度（temperature）的變化（PVT varation）更加敏感，故張弛振蕩器電路更適合于本文所研究的集成溫度傳感器。考慮到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的張弛振蕩器對(duì)PVT變化的敏感程度主要取決于其參考電壓對(duì)PVT變化的穩(wěn)定性，論文提出了一種基于非對(duì)稱差分對(duì)管運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電路來(lái)為張弛振蕩

9、器提供參考電壓。該基準(zhǔn)電路在顯著降低失調(diào)影響的同時(shí)，并沒(méi)有引入大量的器件以及控制時(shí)鐘，從而相較動(dòng)態(tài)失調(diào)校正技術(shù)（Dynamic Offset Cancellation，DOC）擁有更好的噪聲特性。為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并進(jìn)一步減小芯片面積，本文提出了動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)（Dynamic-threshold，DT）和開(kāi)關(guān)電阻（Switched-resistors，SR）技術(shù)來(lái)分別改善張弛振蕩器輸出頻率的電源電壓穩(wěn)定性以及溫度穩(wěn)定性。上述技術(shù)的提出使得張