基于Zoom-ADC的CMOS温度传感器设计
发布时间：2022-01-15 21:48
温度传感器作为传感器的重要组成部分,已广泛应用在医学检测、工业控制以及民用生活领域。在时钟、仪表等具有高精度要求的场合,环境温度变化带来的误差是不可忽视的,应采用温度传感器获取环境温度,补偿温度变化带来的误差,这对温度传感器提出了高精度的要求。同时,CMOS温度传感器具有高能效、微型化、数字输出的特点,可高效、便利地传递与处理信息,因此,本文设计了一种可应用于温度补偿系统的高精度CMOS温度传感器。本文从CMOS衬底寄生BJT器件的物理特性出发,阐述了PNP晶体管的测温原理,并详细介绍了温度传感器中常用的模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）——ΔΣ-ADC的工作原理和性能特点。为了提高测温精度,采用数字曲率校正技术减小了因PNP晶体管基极-发射极电压(1BE的非线性温度特性引入的测温误差,并设计了数字温度校准、斩波放大器、F补偿电路、动态匹配电流镜减小了因器件工艺偏差引入的测温误差。为解决一阶ΔΣ-ADC有效位数与转换时间的矛盾,设计了将5-bit SAR-ADC与8-bitΔΣ-ADC组合的两阶段缩放...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 论文背景
1.2 国内外研究现状
1.3 论文研究内容与设计指标
1.4 论文组织结构
第二章 温度传感器基本原理
2.1 CMOS寄生BJT器件的物理特性
2.1.1 CMOS工艺的寄生BJT器件结构
2.1.2 符号极性定义
2.1.3 I_C-V_(BE)的理想特性
2.1.4 I_C-V_(BE)的非理想特性
2.1.5 I_R-V_(BE)的非理想特性
2.1.6 V_(BE)的温度特性
2.2 BJT的测温原理
2.3 ADC的性能参数
2.3.1 ADC的有效位数
2.3.2 常见ADC的性能参数
2.4 一阶ΔΣ-ADC 原理
2.4.1 一阶ΔΣ-ADC输入输出特性
2.4.2 噪声整形
2.4.3 过采样
2.5 本章小结
第三章 高精度测温前端电路设计
3.1 REF电压在数字域的产生
3.2 数字曲率校正技术
3.3 测温前端工艺偏差分析
3.3.1 误差预算
3.3.2 V_(BE)的工艺偏差
3.3.3 ΔV_(BE)的工艺偏差
3.4 精确V_(BE)的产生
3.4.1 PTAT偏差数字温度校准
3.4.2 斩波放大器
3.4.3 α_F补偿电路
3.5 精确ΔV_(BE)的产生
3.5.1 电流源动态匹配
3.5.2 共源共栅电流源
3.6 测温前端电路拓扑图与仿真
3.6.1 整体电路结构
3.6.2 PTAT电流产生电路
3.6.3 前端电路整体仿真
3.7 本章小结
第四章 Zoom-ADC电路设计
4.1 Zoom-ADC 结构设计
4.1.1 粗童化与细童化
4.1.2 开关电容积分器
4.2 Zoom-ADC电路拓扑与仿真
4.2.1 整体结构
4.2.2 积分放大器
4.2.3 比较器
4.2.4 累加计数器结构
4.2.5 控制逻辑
4.2.6 Zoom-ADC整体仿真
4.3 本章小结
第五章 物理设计与数据校准
5.1 版图设计
5.1.1 匹配性
5.1.2 寄生效应
5.2 参数计算与数据校准
5.3 温度传感器后仿真
5.3.1 测温前端后仿真
5.3.2 Zoom-ADC 后仿真
5.3.3 温度传感器整体后仿真
5.4 结果分析
5.4.1 品质因子FOM
5.4.2 结果对比
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 本文总结
6.2 预期的改进
致谢
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能传感器市场投资分析报告[J]. 林全. 机器人技术与应用. 2017(06)
[2]半导体温度传感器及其芯片集成技术[J]. 林凡,吴孙桃,郭东辉. 仪表技术与传感器. 2003(12)
[3]高速ADC（模拟数字转换器）结构设计技术[J]. 朱樟明,杨银堂. 半导体技术. 2003(05)
硕士论文
[1]CMOS集成温度传感器的研究与设计[D]. 张萍.西安电子科技大学 2009
本文编号：3591377
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 论文背景
1.2 国内外研究现状
1.3 论文研究内容与设计指标
1.4 论文组织结构
第二章 温度传感器基本原理
2.1 CMOS寄生BJT器件的物理特性
2.1.1 CMOS工艺的寄生BJT器件结构
2.1.2 符号极性定义
2.1.3 I_C-V_(BE)的理想特性
2.1.4 I_C-V_(BE)的非理想特性
2.1.5 I_R-V_(BE)的非理想特性
2.1.6 V_(BE)的温度特性
2.2 BJT的测温原理
2.3 ADC的性能参数
2.3.1 ADC的有效位数
2.3.2 常见ADC的性能参数
2.4 一阶ΔΣ-ADC 原理
2.4.1 一阶ΔΣ-ADC输入输出特性
2.4.2 噪声整形
2.4.3 过采样
2.5 本章小结
第三章 高精度测温前端电路设计
3.1 REF电压在数字域的产生
3.2 数字曲率校正技术
3.3 测温前端工艺偏差分析
3.3.1 误差预算
3.3.2 V_(BE)的工艺偏差
3.3.3 ΔV_(BE)的工艺偏差
3.4 精确V_(BE)的产生
3.4.1 PTAT偏差数字温度校准
3.4.2 斩波放大器
3.4.3 α_F补偿电路
3.5 精确ΔV_(BE)的产生
3.5.1 电流源动态匹配
3.5.2 共源共栅电流源
3.6 测温前端电路拓扑图与仿真
3.6.1 整体电路结构
3.6.2 PTAT电流产生电路
3.6.3 前端电路整体仿真
3.7 本章小结
第四章 Zoom-ADC电路设计
4.1 Zoom-ADC 结构设计
4.1.1 粗童化与细童化
4.1.2 开关电容积分器
4.2 Zoom-ADC电路拓扑与仿真
4.2.1 整体结构
4.2.2 积分放大器
4.2.3 比较器
4.2.4 累加计数器结构
4.2.5 控制逻辑
4.2.6 Zoom-ADC整体仿真
4.3 本章小结
第五章 物理设计与数据校准
5.1 版图设计
5.1.1 匹配性
5.1.2 寄生效应
5.2 参数计算与数据校准
5.3 温度传感器后仿真
5.3.1 测温前端后仿真
5.3.2 Zoom-ADC 后仿真
5.3.3 温度传感器整体后仿真
5.4 结果分析
5.4.1 品质因子FOM
5.4.2 结果对比
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 本文总结
6.2 预期的改进
致谢
参考文献
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能传感器市场投资分析报告[J]. 林全. 机器人技术与应用. 2017(06)
[2]半导体温度传感器及其芯片集成技术[J]. 林凡,吴孙桃,郭东辉. 仪表技术与传感器. 2003(12)
[3]高速ADC（模拟数字转换器）结构设计技术[J]. 朱樟明,杨银堂. 半导体技术. 2003(05)
硕士论文
[1]CMOS集成温度传感器的研究与设计[D]. 张萍.西安电子科技大学 2009
本文编号：3591377
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3591377.html
