应用于RFID标签芯片的CMOS温度传感器的设计

摘要

随着射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术和物联网(Internetof Things,IOT)的不断发展，在RFID标签芯片中嵌入传感器是RFID技术发展的一大主流趋势。温度是最重要的自然信息之一，且CMOS温度传感器具有低成本的特点。因此，在RFID标签芯片中集成CMOS温度传感器具有非常广阔的应用前景。
　　本文采用UMC0.18μm EEPROM2P6M工艺设计了一种应用于RFID标签芯片的CMOS温度传感器，该CMOS温度传感器由感温电路、电压缓冲器和电荷再分配逐次逼近模数转换(charge redistribution successive approximation analog-to-digital Converter,CR-SAR ADC)构成。感温电路利用寄生纵向PNP双极型晶体管感知温度，产生一个与绝对温度成正比的(PTAT)电压信号和一个三阶温度补偿的带隙基准电压信号。电压缓冲器由带推挽输出级的运算放大器构成，用于驱动CR-SAR ADC。本文提出了一种应用于CMOS温度传感器的新型低功耗CR-SAR ADC，该CR-SAR ADC采用了单调的开关切换策略，同时，在不降低动态范围的前提下，其参考电压只为传统型CR-SAR ADC的一半，极大的减小了CR-SAR ADC的动态功耗。本文利用Matlab对提出的CR-SAR ADC进行了建模，对CR-SAR ADC中DAC的电容匹配性和动态功耗进行了分析。
　　本文利用Cadence对CMOS温度传感器进行了仿真，仿真结果说明CMOS温度传感器在-25℃~75℃温度范围内的温度分辨率为0.18℃，经过两点校正后在-25℃~-55℃内的测量误差为±0.91℃，在55℃~75℃内的测量误差为-1.54℃~+2.23℃。整个CMOS温度传感器的平均功耗为209μW，版图面积为900μm×1200μm。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.3 论文主要工作及结构组织

2 CMOS温度传感器的系统结构

2.1 CMOS工艺中的感温器件

2.2 主要的CMOS温度传感器的系统结构

2.3 CMOS温度传感器系统结构设计

2.4 本章小结

3 感温电路的设计

3.1 感温电路整体结构

3.2 误差放大器的设计

3.3 偏置电路设计

3.4 感温电路仿真与分析

3.5 本章小结

4 电压缓冲器的设计

4.1电压缓冲器的特点

4.2 电压缓冲器的电路实现

4.3 电压缓冲器的仿真与分析

4.4 本章小结

5 电荷再分配SAR ADC的设计

5.1 电荷再分配SAR ADC的结构及工作原理

5.2 电荷再分配SAR ADC的Matlab建模

5.3 电荷再分配SAR ADC的电路实现

5.4 电荷再分配SAR ADC整体仿真

5.5 本章小结

6 CMOS温度传感器整体仿真及版图设计

6.1 CMOS温度传感器整体仿真

6.2版图设计

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录A 电荷再分配SAR ADC失配分析Matlab程序

附录B 电荷再分配SAR ADC动态功耗分析Matlab程序

附录C 攻读学位期间发表论文