高精度CMOS温度传感器的设计与实现

摘要

片上集成的CMOS温度传感器集成了温度传感电路和信号处理电路，可检测芯片和环境温度，具有低成本、低功耗的优点。但是由于工艺偏差等非理想因素的限制，CMOS温度传感器比传统温度传感器测温范围窄、精度差。 本文分析了双极晶体管的温度和工艺特性，克服了限制CMOS温度传感器精度的各种非理想因素的限制，实现了高精度的CMOS温度传感器。设计的CMOS温度传感器由基于衬底寄生PNP管的温度传感电路和低速高精度模数转换器两部分电路组成。温度传感电路在传统的PNP管BGR（带隙基准源）电路基础上，充分利用CMOS工艺下可实现的双极型晶体管的温度和工艺特性，采用独立的PTM、偏置、斩波稳零、动态匹配以及二阶非线性补偿等措施消除非理想因素的影响。低速高精度模数转换器包含∑-△调制器和数字抽取滤波器两部分，论文分别采用1阶和4阶∑-△调制器进行噪声整形，以满足功耗和精度的折衷。 论文设计的温度传感器在SMIC0．18um1P6M工艺下实现，核心芯片面积0．5×0．6m㎡，芯片电源电压1．8V，总体功耗2．5mW。芯片测试结果表明，温度误差小于±1℃（0-80℃）。在此基础上，论文对电路进行改进，提高了传感精度，后仿真结果表明，在-50-100℃范围内最大温度误差小于±0．3℃。 本文的主要工作和创新点如下： 1．设计了中等精度和高精度两款片上集成的CMOS温度传感器。传感器核心电路中采用了动态匹配、斩波稳零等精密技术，实现了高精度的温度传感；高精度∑-△ADC可采用1阶和4阶∑-△调制器分别实现低功耗和高精度要求。测试或仿真表明，所设计的CMOS温度传感器满足低功耗高精度的设计要求。 2．分析了双极型晶体管的温度和工艺特性，对比了CMOS工艺下可实现的两种寄生双极型晶体管的温度特性，选取衬底寄生PNP管作为温度传感的核心器件，对衬底寄生PNP管的各种非理想特性作了定量分析，并提出相应的措施消除非理想特性的影响。 3．建立了宽带高精度的级联∑-△调制器的行为级仿真模型，模型中综合考虑了运放的建立特性、噪声、积分电容的失配以及增益衰减因子等各种因素对调制器性能的影响，为电路设计确定指标。 4．提出了一种双频积分电路，减小采样电容，积分电容降为原来的一半，大大减小了芯片面积。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1研究背景和意义

1.2本论文研究的难点和主要内容

1.2.1 CMOS智能温度传感器的基本原理

1.2.2设计中的主要难点和挑战

1.2.3本论文的主要组织结构

第二章基于双极型晶体管的温度传感电路

2.1双极型晶体管的物理特性

2.1.1符号说明

2.1.2理想IE-VBE特性

2.1.3 IC-VBE的非理想特性

2.1.4 IE-VBE的非理想特性

2.2 CMOS工艺下双极型晶体管的实现

2.3双极型晶体管的温度特性

2.3.1饱和电流Is的温度特性的影响

2.3.2电流增益的温度特性的影响

2.3.3偏置源中电阻的温度特性的影响

2.4工艺偏差引起的误差

2.4.1饱和电流的工艺偏差的影响

2.4.2有限电流增益的工艺偏差的影响

2.4.3偏置电阻的工艺偏差的影响

2.4.4电流镜的失配引起的△VBE的误差

2.5串联欧姆电阻引起的△VBE的偏差

2.6结论

第三章核心传感电路中非理想因素的消除

3.1 CMOS温度传感器总体原理

3.2温度传感器设计中的误差分配

3.3非理想因素造成的VBE和△VBE误差的消除

3.3.1使用动态匹配技术消除失配造成的△VBE误差

3.3.2工艺偏差影响的消除

3.3.3有限电流增益造成的误差的消除

3.3.4非线性的二阶曲率补偿

3.4结论

第四章∑-△ADC的原理与系统设计

4.1现有模数转换器的发展现状

4.2温度传感器中模数转换器

4.3∑-△ADC原理概述

4.4∑-△调制器工作原理

4.5级联∑-△调制器

4.6∑-△调制器性能评价

4.7数字降比特滤波器

第五章CMOS温度传感器的电路实现

5.1带斩波的精确偏置电路的实现

5.2与绝对温度成正比的电流的产生电路的设计

5.3负温度系数的电流的产生电路

5.4一阶∑-△ADC的设计实现

5.4.1积分器的设计

5.4.2动态比较器的设计

5.5芯片功能测试

5.6本章小结

第六章CMOS温度传感器的改进

6.1与绝对温度成正比的△VBE产生电路的设计

6.2负温度系数电压VBE产生电路的设计

6.3一阶∑-△ADC的设计实现

6.3.1积分器的设计

6.3.2动态比较器的设计

6.3.3时钟产生电路的设计

6.3.4总结

6.4高阶∑-△调制器的设计实现

6.4.1调制器体系结构及参数的确定

6.4.2非理想因素的影响关键模块的参数确定

6.4.3 2-2级联∑-△调制器的电路实现

6.5 CMOS温度传感器整体仿真结果

6.6小结

第七章论文总结和展望

7.1论文总结

7.2展望

参考文献

致谢