低功耗CMOS烟雾探测器芯片的设计

论文摘要

烟雾探测器被广泛应用于火灾探测,在火灾的早期识别和报警上具有极为重要的作用。探测器处理芯片作为其中的核心单元,对传感器信号进行采集、处理,控制整个探测系统的工作。本文设计了一种基于光电式烟雾传感器的探测器芯片,通过检测火灾发生时空气中的烟雾状况,实现对于火灾早期的识别与报警,并能够对非火灾因素进行排除,消除误报,以实现可靠的安全监控。该芯片为一款数模混合芯片,采用CMOS高压工艺实现,具有高探测精度,低功耗和可测性等优点。本文在研究光电型烟雾探测器系统的基础上,设计了一款用于烟雾探测的,具有低功耗、可测性的专用芯片。首先通过对系统功能及应用环境的分析,提出设计指标,制定系统的可测性的设计方案,通过系统、时序和电路的角度达到低功耗的设计要求,并进行整体系统架构的设计,划分出各个功能模块。在此基础上开展电路设计,包括可编程光电放大器、比较器、基准源产生电路、闸门态虚地信号产生电路、电平判断电路和BJT管驱动电路等。在进行混合信号的系统仿真验证,保证功能正确实现后,采用Chartered 0.35μm CMOS高压工艺完成版图设计,并交付流片。对于流片后的芯片进行测试,系统对空气中的烟雾判断正确,并且系统的平均工作电流只有7μA,达到了低功耗的设计要求。本文具有的创新性工作主要体现在对于系统的低功耗设计方面。在系统中设计了一种休眠模式,在此模式下工作时可以大幅降低功耗;并采用自主设计的闸门态虚地信号电路,减小系统的静态电流,降低了系统的功耗,延长了使用寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外发展状况及趋势
• 1.3 论文结构安排
• 第二章 烟雾探测器的系统设计
• 2.1 系统整体功能
• 2.1.1 系统的基本功能
• 2.1.2 输入输出接口
• 2.1.3 报警功能
• 2.1.4 电池低压检测
• 2.1.5 系统时钟信号
• 2.1.6 系统工作模式控制
• 2.2 系统架构
• 2.3 系统工作模式
• 2.3.1 正常工作模式
• 2.3.2 短时静默模式
• 2.3.3 简易测试模式
• 2.3.4 系统测试模式
• 2.3.5 各模式间的切换
• 2.4 系统的低功耗设计方案
• 2.4.1 系统级低功耗设计
• 2.4.2 时序上的考虑
• 2.4.3 电路上的考虑
• 2.5 系统的可测性设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 功能模块设计
• 3.1 CMOS 高压工艺简介
• 3.1.1 有源区的耐高压
• 3.1.2 最小沟道长度
• 3.1.3 栅氧的耐高压
• 3.2 系统的偏置电路设计
• 3.2.1 基准电流的设计
• 3.2.2 复位信号的设计
• 3.2.3 偏置电路仿真
• 3.3 时钟产生单元
• 3.3.1 时钟产生电路设计
• 3.3.2 时钟产生单元功能仿真
• 3.4 探测单元电路设计
• 3.4.1 信号探测模块结构
• 3.4.2 比较器的设计
• 3.4.3 运算放大器的设计
• 3.4.4 STROBE 和IRED 的设计
• 3.5 IMF 模块的设计
• 3.5.1 IMF 电路设计
• 3.5.2 IMF 模块功能仿真
• 3.6 其他的功能模块
• 3.6.1 寄存器的设计
• 3.6.2 分频器的设计
• 3.6.3 CAL 信号的产生
• 3.7 本章小结
• 第四章 系统测试与分析
• 4.1 系统工作说明
• 4.2 系统混合信号仿真
• 4.2.1 系统功能仿真
• 4.2.2 系统性能仿真
• 4.2.3 系统的功耗
• 4.3 版图设计与优化
• 4.3.1 版图布局
• 4.3.2 布线
• 4.3.3 全差分结构
• 4.3.4 闩锁效应
• 4.3.5 ESD 静电保护
• 4.3.6 芯片版图
• 4.4 芯片测试
• 4.3.1 芯片测试方案
• 4.3.2 芯片测试结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢