低功耗單片集成溫度傳感器的研究.pdf

1、隨著人類探索領域的拓展，探測儀器經(jīng)常會工作于較為嚴苛的溫度環(huán)境中。如何保證探測儀器可靠的工作是人們重點關心的問題之一。另外，隨著人們生活水平的提高，健康成為了人們?nèi)找骊P注的話題。作為檢測身體狀況是否正常的一項基本指標，體溫的實時監(jiān)測倍受人們重視。這些問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，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用受到了較大限制。為了應對上述問題，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量誤差。由于模擬-數(shù)字信號轉(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計難度較大，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發(fā)出來，其主要依靠量化與溫度相

3、關的延遲時間來獲得溫度信息，故稱之為時域集成溫度傳感器。該類集成溫度傳感器采用時間-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器（Time-to-digital converter，TDC）來作為數(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計難度和應用成本。然而，作為溫度感應電路的延遲單元不僅對電源電壓以及工藝變化敏感，其延遲時間對溫度變化的非線性還會引起較大的溫度測量誤差，從而該類集成溫度傳感器在需求較高精度和較低測量誤差的

4、應用場合受到了制約。為此，本文對集成溫度傳感器進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的基于時域量化的集成溫度傳感器。該傳感器在實現(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)設計與實現(xiàn)，重點研究和分析了集成溫度傳感器中的溫度感應電路、時鐘電路以及模擬-頻率轉(zhuǎn)換器（Analog-to-freqency converter，AFC）：

5、r>　　1.基于時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作為溫度傳感器中的溫度感應電路，以消除傳統(tǒng)時域集成溫度傳感器溫度分辨率受限于“門”電路結(jié)構(gòu)的溫度感應電路的問題。通過將溫度轉(zhuǎn)換為頻率并對其進行量化來獲得溫度信息的數(shù)字碼輸出，從而僅需改變參考時鐘頻率即可對集成溫度傳感器的精度進行調(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合。針對現(xiàn)有集成溫度傳感器均需要外部時鐘源這一情況，論文提出一種將時鐘源內(nèi)置的溫度傳感器架構(gòu)，從而實現(xiàn)了溫度傳感器的單片集成?？紤]到集成電路制作過程中存在器件失配和電路偏差，本文采用相同結(jié)構(gòu)的振蕩器電路來分別作為參考時鐘和AFC，以降低振蕩電路偏差對傳感器性能的影響。
　　2.基于MOSFET亞閾區(qū)泄漏電流溫度特性補償?shù)臏囟雀袘娐贰ａ槍σ延蟹蔷€性溫度補償技術電路單元多，且需求額外功耗等問題，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償方法。論文通過對亞閾區(qū)MOSFET泄漏電流的研究得到該電流隨溫度變化的關系，并將其用于對溫度感應電路的輸出信號進行溫度補償。在此基礎上，本文提出了一種基于動態(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作為集成溫度傳感器的溫度感應電路，以進一步減小電路面積并提高輸出信號隨溫度變化的線性度。
　　3.基

8、于張弛振蕩器的片上時鐘和AFC電路設計。由于環(huán)形振蕩器相較張弛振蕩器對集成電路制作工藝（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?？紤]到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的張弛振蕩器對PVT變化的敏感程度主要取決于其參考電壓對PVT變化的穩(wěn)定性，論文提出了一種基于非對稱差分對管運算放大器結(jié)構(gòu)的帶隙基準電路來為張弛振蕩

9、器提供參考電壓。該基準電路在顯著降低失調(diào)影響的同時，并沒有引入大量的器件以及控制時鐘，從而相較動態(tài)失調(diào)校正技術（Dynamic Offset Cancellation，DOC）擁有更好的噪聲特性。為了簡化電路設計并進一步減小芯片面積，本文提出了動態(tài)閾值技術（Dynamic-threshold，DT）和開關電阻（Switched-resistors，SR）技術來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。上述技術的提出使得張