一种高精度CMOS温度传感器的设计

摘要

随着物联网技术的快速发展，作为物联网的基础构成元件，温度传感器的应用范围不断扩大，人们对温度传感器性能的要求也越来越高。相比于传统的分立式温度传感器，CMOS片上集成温度传感器将感温元件与模数转换器集成在同一芯片上，可直接输出数字信号;同时，集成温度传感器具有低成本、低功耗、高精度、高速度、高分辨率等优点，非常适合进行大规模生产。目前大量应用于工业控制、医疗器械、环境监测等领域。
　　本文在研究分析各种基于寄生双极型晶体管设计的CMOS温度传感器的基础上，设计了一种高性能温度传感器。该传感器采用带隙感温结构，一方面利用双极型晶体管基极-发射极电压的负温度特性产生与温度相关的电压;另一方面，基准电压的产生考虑到双极型晶体管的非理想因素，在传统一阶补偿的基础上引入高阶补偿技术，大幅度提高了精度。结合低功耗及对系统工作速度要求不高等多方面因素考虑，选用低功耗SAR ADC作为模数转换模块。在总体实现上，将带隙基准电路产生的与温度无关的基准电压与两个双极型晶体管叠加产生的与温度相关的电压进行比较，然后通过SAR ADC将比较结果转换成数字信号输出。
　　本研究基于CMOS0.18μm1P6M工艺进行设计，电源电压为3.3V。仿真结果显示，带隙基准电路产生的两个基准电压在-40℃～125℃温度区间的波动幅度为336μV和643μV，温度系数分别达到1.16ppm/℃和3.66ppm/℃，并且低频PSRR达到-100dB。温度传感器整体实现0.1℃的温度分辨率，±0.35℃的绝对精度，平均电流为130μA，芯片面积为520μm*480μm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 温度传感器的研究背景与意义

1．2 温度传感器的发展与现状

1．2．1 传统分立式温度传感器

1．2．2 集成温度传感器

1．2．3 温度传感器国内外发展现状

1．3 论文主要内容与组织结构

第二章 带隙基准电路

2．1 双极型晶体管温度特性

2．1．1 负温度系数电压

2．1．2 正温度系数电压

2．1．3 基准电压

2．2 影响VBE特性的非理想因素

2．3 非线性高阶曲率补偿技术

2．4 带隙基准电路技术指标

2．5 本章小结

第三章 逐次逼近型SAR ADC

3．1 模数转换器的结构

3．1．1 并行(Flash)ADC

3．1．2 流水线(Pipeline)ADC

3．1．3 Σ-Δ(Sigma-Delta)ADC

3．1．4 逐次逼近型SAR ADC

3．2 SAR ADC的分类

3．2．1 电压定标型

3．2．2 电流定标型

3．2．3 电荷定标型

3．3 开关技术

3．3．1 基本MOS开关

3．3．2 CMOS传输门开关

3．4 本章小结

第四章 CMOS温度传感器的设计与仿真

4．1 温度传感器工作原理与技术指标

4．1．1 温度传感器工作原理

4．1．2 温度传感器技术指标

4．2 带隙基准电路的设计与仿真

4．2．1 偏置电路

4．2．2 启动电路

4．2．3 电源抑制比增强电路

4．2．4 基准核心电路

4．2．5 仿真结果分析

4．3 SAR ADC的设计与仿真

4．3．1 DAC电路

4．3．2 动态比较器

4．3．3 数字逻辑控制电路

4．3．4 仿真结果分析

4．4 温度传感器仿真结果与分析

4．5 本章小结

第五章 版图设计与仿真

5．1 版图设计规则与验证方法

5．1．1 版图设计规则

5．1．2 版图验证方法

5．2 版图实现与后仿

5．2．1 运放版图设计

5．2．2 带隙基准版图设计

5．2．3 温度传感器版图设计

5．3 本章小结

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢