新型低功耗CMOS片上温度传感器设计

论文摘要

温度是工农业生产和科学研究过程中需要测量的重要参数,因此温度传感器是应用最广泛的一种传感器。现代VLSI的集成度和性能要求不断提高,导致了芯片互连线的电流密度迅速增大,衬底功耗也随之增大。,这些功耗很大一部分转化为热能,芯片表面温度也急剧升高。这就需要大量的轻巧、可靠性高和功耗低的温度传感器来检测芯片温度和进行功耗管理。与传统类型温度传感器相比,集成电路温度传感器具有线性好、功耗低、灵敏度高和易于集成等优点。而且CMOS电路已经成为主流工艺,所以能在标准CMOS工艺中实现的集成温度传感器在VLSI芯片功耗控制、消费电子产品的温度控制中具有广阔的应用前景。本文在学习和分析了各种利用寄生三极管进行设计的CMOS温度传感器电路的基础上,设计了带隙基准的感温结构,即是PTAT （proportional to absolute temperature）电流源电路。通过降低运算放大器失调电压的影响,以及在PTAT电路后加上一个电流镜,产生与绝对温度成正比的电流。研究了各种ADC的结构和应用场合,确定采用差分环型振荡器和测频电路作为温度传感器数模转换模块。综合利用了各种噪声消除技术,设计低相位噪声的差分环型振荡器,利用PTAT电流源产生的电流控制振荡器,产生振荡频率与温度成正比的振荡信号。通过测频和校准电路,得到代表芯片表面温度的八位无符号数据。整体电路设计充分考虑了测试方案;研究了CMOS电路功耗的组成和产生原因;分析降低功耗的主要途径。我们设计出了面积小、功耗低、精度高的温度传感器电路。本设计采用TSMC 0.13μm 2P6M CMOS工艺,电源电压为1.2V,仿真结果显示,本设计数字输出8位无符号数据,测量精度为±3℃,温度检测范围-60℃到160℃,功耗为25μW （测量频率为25/sec）,芯片面积为0.025 mm 2,满足设计指标要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 发展现状
• 1.3 深亚微米工艺下的温度传感器设计
• 1.4 论文的主要工作和组织结构
• 第二章 温度传感器的工作原理
• 2.1 背景知识
• 2.2 片上温度传感器的分类
• 2.2.1 温度传感器输出类型
• 2.2.2 温度传感器电路结构类型
• 2.3 温度传感器设计指标
• 2.4 温度传感器设计参数的折中
• 2.5 公开发表文献的温度传感器性能比较
• 2.6 温度传感器系统工作原理
• 2.7 PTAT电流源电路工作原理
• 2.8 环型振荡器电路工作原理
• 2.8.1 振荡条件
• 2.8.2 延迟单元电路
• 2.8.3 环型振荡器的频率调谐技术
• 2.9 差分交叉互耦环型振荡器工作原理
• 2.10 测频电路和校准电路工作原理
• 2.10.1 测频电路工作原理
• 2.10.2 校准电路工作原理
• 2.11 本章小结
• 第三章 电路原理图设计及前仿结果
• 3.1 PTAT电流获取的电路设计
• 3.1.1 PTAT电路获取电路设计
• 3.1.2 运算放大器的设计
• 3.1.3 运算放大器的仿真
• 3.1.4 PTAT电流源核心电路设计
• 3.1.5 PTAT电流源核心电路的仿真结果
• 3.1.6 启动电路设计
• 3.1.7 启动电路的仿真
• 3.2 差分环型振荡器的设计
• 3.2.1 差分环型振荡器反相器和校准电路的设计
• 3.2.2 数字缓冲器的设计
• 3.2.3 差分环型振荡器和校准电路的仿真
• 3.3 测频和数据转换电路设计
• 3.3.1 测频电路设计
• 3.3.2 数据转换电路设计
• 3.3.3 数字校准电路的设计和测试过程
• 3.3.4 数模混合仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 版图设计及后仿结果
• 4.1 版图设计
• 4.1.1 运算放大器差分对管设计
• 4.1.2 差分环型振荡器延迟单元版图设计
• 4.1.3 温度传感器整体电路版图
• 4.2 版图后仿真结果
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件