一种基于RC振荡器的片上温度传感器设计

摘要

CMOS温度传感器广泛应用于集成电路温度测量、医疗仪器以及射频识别电路（RFID）等各个方面，它具有电路结构简单、低成本、低功耗、体积小等优点。CMOS温度传感器的广泛应用需求不断地推动了其研究进展，设计出性能更高、功耗更低、成本更低的CMOS温度传感器成为传感器技术领域的一个重要课题。本文的主要工作内容分为以下3点：
　　1、通过对文献资料的阅读，了解了传感器技术的重要性，以及传感器的应用价值。同时，结合超大规模集成电路（VLSI）技术和温度测量技术，对近十几年来国内外CMOS温度传感器的研究进展及发展趋势进行了归纳总结。针对SD/MMC控制器的片上温度测量需求，分析了应用于该控制器的CMOS温度传感器的设计要求。
　　2、详细地介绍了CMOS温度传感器设计的基本理论。首先对CMOS工艺下晶体管的基本特性进行介绍，着重分析了在CMOS工艺下晶体管各种参数的温度特性。详细介绍了如何利用MOS管阈值电压特性，双极型晶体管的基极-发射极电压特性，以及CMOS振荡器输出频率随温度变化的特性，进行温度传感器设计的方法。并介绍了模数转换器（ADC）和计数器，这两种CMOS温度传感器中常用的将模拟信号转换为数字信号的方法。
　　3、设计了一种基于RC振荡器的CMOS温度传感器电路，分模块对电路的各个部分进行了详细的分析与仿真测试。由于采用了RC振荡器加计数器的架构，使电路设计的复杂度大大降低。该电路总体架构简单、工作电压低，能够通过软件启动或关闭电路，且电路启动时间快。采用TSMC0.18μm CMOS工艺库，利用Cadence Spectre仿真软件对该温度传感器整体电路进行仿真。流片后，对实际芯片进行测试，测试结果表明：在-10℃到80℃的温度范围内，传感器的测温精度能够达到±3℃，满足应用需求。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 CMOS温度传感器国内外研究现状及发展趋势

1.3 本文设计的温度传感器的特点

1.4 论文主要内容及结构安排

第二章 CMOS温度传感器设计的基本理论

2.1 MOS器件的基本原理

2.2 MOS器件测温原理

2.3 双极型晶体管测温原理

2.4 CMOS振荡器测温原理

2.5 CMOS温度传感器输出数字化技术

2.6 本章小结

第三章 温度传感器电路设计及仿真

3.1 温度传感器系统结构设计

3.2 电流镜设计

3.3 运算放大器设计

3.4 温度敏感电流的产生

3.5 逻辑部分设计

3.6 RC振荡器电路设计

3.7 数字测频电路设计

3.8 本章小结

第四章 整体电路的仿真及实验测试

4.1 启动开关的设置

4.2 整体电路仿真

4.3 实验测试

4.4 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 论文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录