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高精度低功耗CMOS温度传感器的设计

作　者: 梁永勤
导　师: 杨银堂; 何鸿楷
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 集成电路工程
关键词: 温度传感器衬底寄生PNP晶体管 Σ-ΔADC片外校准斩波稳零
分类号: TP212.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文重点研究了CMOS温度传感器设计技术。论文首先概述了温度传感器和CMOS温度传感器的现状和趋势。阐述了CMOS温度传感器的优势和特点，指出了本课题的研究意义。接着分析了CMOS工艺下的寄生PNP晶体管的温度特性，讨论了高精度CMOS温度传感器的校准方法，给出了CMOS温度传感器中的各种非理想因素的消除办法，设计了适用于高精度温度传感器的高精度温度感应电路、低速高精度Σ-Δ ADC以及高精度的校准电路，实现了精度为±0.42℃的CMOS温度传感器。高精度温度感应电路充分利用CMOS工艺下寄生的PNP晶体管的VBE以及ΔVBE的温度特性，采用斩波稳零、动态匹配、二阶曲率补偿以及有限电流增益消除等技术消除非理想因素的影响。低速高精度Σ-Δ ADC由Σ-Δ调制器和抽样滤波器构成，论文采用一阶Σ-Δ调制器进行噪声整形，以满足功耗和精度的折衷。高精度校准电路充分利用VBE的工艺偏差具有与绝对温度成正比的特性，通过在PNP晶体管的发射极串联一个可编程电阻，并给该电阻注入一个与绝对温度成正比的电流来实现。本文选择SMIC的0.18μm1P6M的工艺库，利用Cadence Spectre仿真工具对整个CMOS温度传感器电路进行了仿真。结果显示，在135种PV(工艺角和电源电压)组合下，所设计温度传感器经过校准之后，在-40℃到125℃的温度范围内的能够达到±0.42℃的精度。在3.3V的电源电压，60SPS的转换速度的情况下，功耗为0.69mW。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
第一章绪论  10-16
  1.1 研究背景和意义  10-12
  1.2 CMOS 温度传感器的性能指标  12
  1.3 本文的主要工作  12-16
    1.3.1 设计中的主要难点和挑战  13
    1.3.2 本论文的主要组织结构  13-16
第二章 CMOS工艺下的双极型晶体管的温度特性  16-34
  2.1 CMOS 工艺下的双极型晶体管的实现  16-17
  2.2 CMOS 工艺下的双极型晶体管的 I-V 特性  17-19
    2.2.1 符号说明  17-18
    2.2.2 IC-VBE特性  18
    2.2.3 IE-VBE特性  18-19
  2.3 CMOS 工艺下的双极型晶体管的固有的温度特性  19-27
    2.3.1 VBE的温度特性  20-21
    2.3.2 ΔVBE的温度特性  21-23
    2.3.3 有限的电流增益βF对 VBE的影响  23-24
    2.3.4 偏置电流中偏置电阻的温度特性的对 VBE的影响  24-25
    2.3.5 厄立电压效应对 VBE的影响  25-27
    2.3.6 串联欧姆电阻引起的ΔVBE的偏差  27
  2.4 CMOS 工艺下的双极型晶体管的随机的温度特性  27-31
    2.4.1 饱和电流的工艺偏差的影响  28
    2.4.2 偏置电阻的工艺偏差的影响  28-29
    2.4.3 有限电流增益的工艺偏差的影响  29
    2.4.4 负向厄立电压效应的工艺偏差的影响  29-31
    2.4.5 电流镜的失配引起的ΔVBE的误差  31
  2.5 小结  31-34
第三章温度传感器中非理想因素的消除  34-48
  3.1 斩波稳零技术  34-37
    3.1.1 斩波稳零技术的基本原理  35-36
    3.1.2 斩波运放的残余失调电压  36-37
  3.2 动态匹配技术  37-38
  3.3 二阶曲率补偿技术  38-40
  3.4 trimming 技术  40-45
    3.4.1 电压域的 trimming 技术  41-42
    3.4.2 电流域的 trimming 技术  42-43
    3.4.3 基于调制器的 trimming 技术  43-44
    3.4.4 数字 trimming 技术  44-45
  3.5 有限电流增益βF造成的误差的消除  45-46
  3.6 小结  46-48
第四章 CMOS温度传感器的系统级设计  48-60
  4.1 CMOS 温度传感器架构的选取  48-53
    4.1.1 常见的 CMOS 温度传感器架构一  48-50
    4.1.2 常见的 CMOS 温度传感器架构二  50-51
    4.1.3 本文所采用的温度传感器架构  51-53
  4.2 CMOS 温度传感器中 ADC 的选取  53-57
    4.2.1 直接转换 ADC 对比间接转换 ADC  53-54
    4.2.2 同步调制器对比异步调制器  54-56
    4.2.3 本文所采用的 ADC  56-57
  4.3 CMOS 温度传感器中的误差分配  57-58
  4.4 小结  58-60
第五章 CMOS温度传感器中的关键电路的设计  60-78
  5.1 ADC 模块的设计与仿真  60-68
    5.1.1 ΣΔADC 的位数的选取以及抽样滤波器的设计  61-63
    5.1.2 积分器的设计  63-64
    5.1.3 比较器的设计  64-66
    5.1.4 为运放和比较器提供偏置的电路的设计  66-67
    5.1.5 ΣΔADC 中的 R2/R1的比例的选取  67-68
  5.2 PTAT 电流偏置电路的设计  68-71
  5.3 PTAT 电流产生电路的设计  71-73
  5.4 CTAT 电流产生电路  73-74
  5.5 trimming 电路的设计  74-76
    5.5.1 trimming 电阻的电阻类型的选择  74-75
    5.5.2 trimming 电路中可编程电阻的电阻值的设计  75-76
  5.6 小结  76-78
第六章温度传感器整体电路设计、仿真与校准  78-88
  6.1 整体电路的架构和时序  78-80
  6.2 温度传感器的校准  80-83
  6.3 温度传感器的整体电路的仿真  83-86
    6.3.1 温度传感器的精度仿真  83-85
    6.3.2 温度传感器的功耗仿真  85-86
  6.4 本文的温度传感器性能指标小结  86-88
第七章总结与展望  88-90
  7.1 论文总结  88-89
  7.2 展望  89-90
致谢  90-92
参考文献  92-95

高精度低功耗CMOS温度传感器的设计

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