温湿压多功能传感器集成变送电路的设计及优化

摘要

温度、湿度和压力作为常用的传感器，其在军事领域和民用领域均有广泛应用。传统的多功能传感器具有体积大、元件分立的缺点，单片集成温湿压多功能传感器可以实现多传感器集成、微型化、低功耗的传感器设计，是未来传感器的发展趋势。 本论文研究内容为针对温湿压多功能传感器集成读出电路进行设计和优化，该读出电路主要包含了温度传感器、湿度传感器和压力传感器三种传感器的信号处理电路，以及片上集成模数转换器（ADC），实现了温湿压传感器芯片的数字信号输出，具有灵敏度高、集成度高、测量范围广等特点。 主要研究内容如下： 1.进行了三种传感器信号处理电路的设计和优化，通过信号处理将不同物理量转换成电压量，并进行系统级仿真。对于温度模块，设计了二阶曲率补偿的带隙基准电源，温度系数为17.53ppm/℃，信号处理电路温度灵敏度为21.6mV/K，线性度为99.8%。对于湿度模块，采用一种新型的差分式开关电容电路结构，采用两运放分时采样工作的方式，使信号连续输出，线性度良好。对于压力模块，采用三运放仪表放大器结构进行信号放大，采用优化设计使放大器增益可调，电源抑制比（PSRR）为110.5dB，符合设计需求。 2.设计了读出电路的片上集成ADC。片上ADC电路为芯片集成的single-slope ADC，采用低功耗的电流存储单元代替结构复杂的寄存器，优化ADC结构，减小芯片面积。ADC精度为14bits,相应的INL为+0.9LSB/-0.85LSB，DNL为±0.6LSB，噪声特性明显降低。 3.完成了温湿压传感器读出电路的版图绘制和读出芯片测试。读出电路测试结果表明，温度传感器、湿度传感器、压力传感器信号处理电路和片上ADC工作稳定。测试结果与仿真结果一致，各项设计满足指标要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2.1 温湿压传感器概况

1.2.2 温湿压传感器变送电路研究现状及发展趋势

1.3.1 课题研究背景

1.3.2 研究意义

1.4 论文主要工作与结构安排

第二章 温湿压传感器及其信号处理电路简介

2.1 温湿压传感器芯片整体设计

2.2 温度传感器及其信号处理

2.2.1 CMOS工艺下双极型晶体管简介

2.2.2 温度传感器常用信号处理电路

2.3.1 电容式湿度传感器简介

2.3.2 电容式传感器常用接口电路

2.4.1 压阻式压力传感器简介

2.4.2 压阻式传感器常用接口电路

2.5.1 版图介绍

2.5.2 版图设计要点

2.6 本章小结

第三章 温湿压传感器变送电路的设计和优化

3.1.1 温度传感器的非理想效应

3.1.2 二阶曲率补偿的带隙基准

3.1.3 温度传感器信号处理电路设计

3.1.4 温度模块仿真

3.2.1 开关电容接口电路

3.2.2 一种新型开关电容电路的优化设计

3.2.3 湿度模块仿真分析

3.3 压力传感器信号处理电路设计

3.3.1 压力传感器接口电路设计

3.3.2 压力模块仿真分析

3.4 温湿压模块版图设计

3.5 本章小结

第四章片上single-slope ADC设计

4.1.1 模数转换器的工作原理

4.1.2 模数转换器的性能指标

4.1.3 片上ADC的结构选择及优化设计

4.2.1 采样保持电路

4.2.2 斜坡发生器

4.2.3 比较器

4.2.4 信号存储单元

4.2.5 格雷码计数器

4.2.6 电流比较器

4.2.7 码型转换

4.3.1 功能仿真

4.3.2 性能仿真

4.4 ADC模块版图设计

4.5 本章小结

第五章 温湿压传感器读出电路测试

5.1 流片与封装

5.2 芯片测试系统设计

5.3 温湿压读出电路芯片测试结果

1.温度传感器信号处理电路测试

2.湿度传感器信号处理电路测试

3.压力传感器信号处理电路测试

4.芯片整体功能测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果