时间域数字温度传感器的设计与集成方法研究

摘要

随着工艺的不断发展，晶体管尺寸越来越小，单晶片上的集成度越来越高。这一方面大大提升了电路的性能，另一方面却使得电路对环境变量如温度、电压等更加敏感。这些变量使电路的行为变得不可预测，从而导致严重的可靠性问题。其中温度变量是导致电路非正常老化和电路失效加速的重要原因。检测并控制芯片的各种环境变量是最有效提高可靠性的方法之一，所以现在越来越多的设计者将注意力放在用于检测电路工作环境的传感器上。然而，要将传感器集成到芯片上并不容易，因为传感器的数量和芯片上的放置位置要受到功耗、面积和兼容性的限制。而基于数字元件的传感器是解决这些问题的一种可行的技术。 本文主要研究时域下的数字化温度传感器的设计方法，有效利用数字电路在集成度、功耗开销、面积开销等方面的优势来设计相关电路。全文介绍了两种时间域温度传感器的设计实现并给出了详细的仿真结果。该类型的传感器电路主要由数字元件构成，具有较为简单的设计原理。一般的时间域温度传感器主要由三个部分组成，即传感部分和时间-数字转换器部分以及校准模块。通过调整传感部分的结构和转换部分的参数，可以优化电路的性能。根据电路的具体应用，可以折中选择精度、错误和测量范围等性能。本文先设计并实现了一种基于单个环形振荡器的时域下数字温度传感器，然后在此基础上进行了改进，设计并实现了另一种基于双环的时间域数字温度传感器。该传感器在电源电压变量敏感性以及对外部参考信号的依赖性方面具有明显的优势。

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