低功耗单片集成温度传感器的研究

摘要

随着人类探索领域的拓展，探测仪器经常会工作于较为严苛的温度环境中。如何保证探测仪器可靠的工作是人们重点关心的问题之一。另外，随着人们生活水平的提高，健康成为了人们日益关注的话题。作为检测身体状况是否正常的一项基本指标，体温的实时监测倍受人们重视。这些问题的解决都需依赖温度传感器这一重要部件。然而，随着系统小型化、便携化以及低成本需求的不断增长，使得基于特殊材料或者薄膜制备而成的分立式温度传感器的应用受到了较大限制。为了应对上述问题，集成温度传感器孕育而生，并且因其良好的可植入性而迅速受到了人们的青睐。
　　在2005年以前，集成温度传感器均以电压域的工作原理研发制作而成，其具有较高的精度和较小的测量误差。由于模拟-数字信号转换器（Analog-to-digital converter，ADC）是该温度传感器系统的核心部件之一，因此，该类集成温度传感器的设计难度较大，且系统功耗不易降低。在2005年，一种新工作模式的集成温度传感器被开发出来，其主要依靠量化与温度相关的延迟时间来获得温度信息，故称之为时域集成温度传感器。该类集成温度传感器采用时间-数字信号转换器（Time-to-digital converter，TDC）来作为数字输出码的转换器，使温度传感器全数字集成成为了可能，有效地降低了集成温度传感器的设计难度和应用成本。然而，作为温度感应电路的延迟单元不仅对电源电压以及工艺变化敏感，其延迟时间对温度变化的非线性还会引起较大的温度测量误差，从而该类集成温度传感器在需求较高精度和较低测量误差的应用场合受到了制约。为此，本文对集成温度传感器进行了广泛而深入的研究，并提出了一种结合了电压域工作特点的基于时域量化的集成温度传感器。该传感器在实现温度分辨精度可调的情况下，保持了较低的功耗和较小的芯片面积。
　　论文的主要内容包括精度可调的低功耗单片集成温度传感器的系统设计与实现，重点研究和分析了集成温度传感器中的温度感应电路、时钟电路以及模拟-频率转换器（Analog-to-freqency converter，AFC）：
　　1.基于时域量化器的精度可调的低功耗单片集成温度传感器。采用输出是与温度成正比（Proportional-to-absolute-temperature，PTAT）的电流的模拟电路来作为温度传感器中的温度感应电路，以消除传统时域集成温度传感器温度分辨率受限于“门”电路结构的温度感应电路的问题。通过将温度转换为频率并对其进行量化来获得温度信息的数字码输出，从而仅需改变参考时钟频率即可对集成温度传感器的精度进行调节，使得所提出的集成温度传感器能够更好的适用于多种场合。针对现有集成温度传感器均需要外部时钟源这一情况，论文提出一种将时钟源内置的温度传感器架构，从而实现了温度传感器的单片集成。考虑到集成电路制作过程中存在器件失配和电路偏差，本文采用相同结构的振荡器电路来分别作为参考时钟和AFC，以降低振荡电路偏差对传感器性能的影响。
　　2.基于MOSFET亚阈区泄漏电流温度特性补偿的温度感应电路。针对已有非线性温度补偿技术电路单元多，且需求额外功耗等问题，本文提出了一种基于MOS管亚阈区泄漏电流温度特性的温度补偿方法。论文通过对亚阈区MOSFET泄漏电流的研究得到该电流随温度变化的关系，并将其用于对温度感应电路的输出信号进行温度补偿。在此基础上，本文提出了一种基于动态阈值电压 MOS晶体管（Dynamic threshold-voltage MOSFET，DTMOS）的自偏置有源电阻电路来作为集成温度传感器的温度感应电路，以进一步减小电路面积并提高输出信号随温度变化的线性度。
　　3.基于张弛振荡器的片上时钟和AFC电路设计。由于环形振荡器相较张弛振荡器对集成电路制作工艺（Process）、电源电压（Supply voltage）及环境温度（temperature）的变化（PVT varation）更加敏感，故张弛振荡器电路更适合于本文所研究的集成温度传感器。考虑到传统结构的张弛振荡器对PVT变化的敏感程度主要取决于其参考电压对PVT变化的稳定性，论文提出了一种基于非对称差分对管运算放大器结构的带隙基准电路来为张弛振荡器提供参考电压。该基准电路在显著降低失调影响的同时，并没有引入大量的器件以及控制时钟，从而相较动态失调校正技术（Dynamic Offset Cancellation，DOC）拥有更好的噪声特性。为了简化电路设计并进一步减小芯片面积，本文提出了动态阈值技术（Dynamic-threshold，DT）和开关电阻（Switched-resistors，SR）技术来分别改善张弛振荡器输出频率的电源电压稳定性以及温度稳定性。上述技术的提出使得张弛振荡器在不需要带隙基准来提供参考信号的情况下，也能获得较好的抵抗电源电压和温度变化的能力。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 集成温度传感器的研究现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 论文的结构安排

第二章 低功耗单片集成温度传感器

2.1 集成温度传感器的类型

2.2 集成温度传感器的性能指标

2.3 低功耗单片集成温度传感器

2.4 本章小结

第三章 基于MOSFET亚阈区泄漏电流补偿技术的温度感应电路

3.1 基于传统自偏置电流源结构的温度感应电路

3.2 基于DTMOS的有源电阻式温度感应电路

3.3 本章小结

第四章 对PVT变化不敏感的张弛振荡电路

4.1 基于降低失调影响的低噪声带隙基准源的张弛振荡器

4.2 基于动态阈值技术和开关电阻技术的张弛振荡器

4.3 本章小结

第五章 基于时域量化的低功耗单片集成温度传感器及其测试

5.1 低功耗单片集成温度传感器的模块电路优化

5.2 基于时域量化的低功耗单片集成温度传感器的仿真与测试

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果