一种热释电红外探测器专用控制芯片的设计

摘要

本文介绍了组成热释电红外探测器的三大部件：热释电红外传感器、菲涅耳透镜、专用控制芯片的结构和原理，并提出了一种0.6μm1P1MN-wellCMOS工艺专用控制芯片的设计方案。这款芯片是一款数模混合芯片，包括模拟信号处理(含模数接口模块)和数字信号处理两大模块，完整实现对红外信号的接收、放大、处理、控制，产生有效数字电平驱动继电器、可控硅等负载，应用于自动灯等多种场合。 在芯片模拟电路中，分析了MOS管的亚阈值模型，设计了工作于亚阈值区的自举偏置电流源，其电流几乎不受电源和温度波动的影响且值很小，偏置整个模拟电路，降低功耗。同时利用PNP晶体管发射结电压的负温度特性和发射结差值电压的正温度特性设计了一个带隙基准电压源。此带隙基准电压源本身作为热释电红外传感器的电源电压，同时分压提供双限电压比较器的上限电平和下限电平以及第二级带通滤波放大器的直流电平。两级带通滤波放大器对热释电红外传感器采集人体的微弱小信号进行交流放大和直流电平的转换，并根据频率对噪声和干扰进行过滤。双限电压比较器是通过窗口宽度在幅度上对噪声和干扰进行屏蔽。 在芯片的数字电路中，设计了外部RC环节配合片内环振构成的振荡电路，提供系统时钟、延迟时钟的振荡脉冲。系统时钟电路分出多个同步频率，以提供不同数字子电路的同步时钟。片内集成的上电复位电路保证系统上电后有初始零态并能自行启动。CDS传感器信号处理电路对白天的红外信号进行屏蔽。过零检测电路保证了输出信号零点同步驱动可控硅，降低电源污染。模式选择电路、内建自测试电路预留在片内，便于以后进行功能的扩展。控制和输出电路确保各个控制信号、驱动信号、输出信号的动作准确，实现芯片的丰富功能。 HSPICE和Foundation软件仿真的结果显示，带隙基准电压源为3.126V，电源电压抑制比为65dB，温度系数为23ppm/℃；带通滤波放大部分增益为73dB，带通频率为0.1Hz～10Hz；双限电压比较器窗口为700mV，功能良好，数字电路时序正确，功能正常。芯片总体性能达到了设计的要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图索引、附表索引

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第1章绪论

第2章MOSFET的亚阈值模型与CMOS工艺中的器件

第3章PID专用控制芯片模拟电路的设计

第4章PID专用控制芯片数字电路的设计

第5章影响电路性能的因素及改进方法

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢