高性能低成本CMOS温度传感器研究

发布时间：2021-10-18 16:08

　　CMOS温度传感器因其体积小、易于集成、成本低,而且可直接输出数字信号等优点,广泛用于各类片上系统、工业物联网以及无线传感网络等应用场景。然而不同的具体应用场景对CMOS温度传感器的设计也提出了相应的挑战。如片上系统里的实时时钟校准应用需要高精度的温度传感器;而片上热管理应用强调超小面积以及低电压工作;各类物联网应用则对其功耗提出了苛刻的要求;此外,进一步降低温度传感器在量产中的校准成本也有重要的应用价值。针对上述难点和挑战,本文结合具体的应用场景,按照温度读出电路所处理的不同信号域,开展系统性的CMOS温度传感器研究,先后共完成7款高性能、低成本CMOS温度传感器研制。论文主要的工作和创新点如下:1.电压和电流域读出CMOS温度传感器研究:（1）本文首次分析了带电流增益补偿技术的BJT温度传感器前端电路中存在的多个简并点的问题,提出新型低成本启动电路,保证了电路鲁棒性;（2）结合用于电能计量MCU中RTC校准的应用场景,本文提出新型数字辅助线性化的系统方案,在满足高精度测温需求的同时,兼容多通道复用读出接口,减小了系统设计成本;（3）基于以上创新点,并采用动态元件匹配、电流增益补偿和... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：160 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

集成式智能CMOS温度传感器示意图

二是超小面积以及低电压:如图1-2所示,在处理器或大型SoC片上热管理应用中,由于芯片的集成度非常高,在一颗处理器中通常需要集成大量片上温度传感器用于检测可能的发热点。由于所需传感器的数量众多,尽可能降低单个CMOS温度传感器的面积可以大大降低芯片的设计和制造成本[14]。另一方面,在处理器中可能的发热点大多位于动作频繁的数字电路附近,如果温度传感器可以直接兼容数字电路的供电,则可进一步避免额外的模拟电路供电的绕线成本。而随着工艺进一步缩小,数字电路供电也降低至1 V以下。由于CMOS温度传感器本质上属于数模混合电路,传统电路设计离不开高增益的运算放大器等电路,而超小面积、低于1 V供电的应用要求给其具体电路实现提出了严峻的挑战。此外,由于数字电路动作频繁、供电嘈杂,和数字电路共用供电的CMOS温度传感器也需要有较低的电源灵敏度,从而保证电源波动不影响测温精度[15]。三是超低功耗需求:CMOS温度传感器广泛应用于无线传感网络、以及其他各类物联网(IoT)终端设备中。超低功耗是物联网应用的一大特点,由于环境限制,传感电路只能由电池供电,甚至是只能从环境中获取能量,因此所集成的CMOS温度传感器需要满足nW甚至pW级功耗需求[16],这也给CMOS温度传感器的电路设计带来了极大的挑战。

整体而言,CMOS温度传感器应用广泛、种类多样。针对不同应用场景,结合CMOS工艺下不同感温器件,研究高性能的CMOS温度传感器是当前国际研究热点之一。通过对发表在集成电路设计领域常见的知名期刊和会议的CMOS温度传感器进行分析和统计,图1-3总结了基于BJT、电阻(Res)、MOS管以及硅衬底的热扩散率(TD)等常见CMOS温度传感器在近五年的国际研究进展情况[18],可见近年来CMOS温度传感器各项性能指标有了长足进步,正向着更高能量效率、更小面积以及更高精度方向发展。1.4 论文研究内容和目标

【参考文献】：
硕士论文
[1]新型低功耗CMOS片上温度传感器设计[D]. 林荣.华南理工大学 2011
[2]高精度CMOS温度传感器的设计与实现[D]. 孟海涛.山东大学 2009



本文编号：3443090