【摘 要】
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CMOS智能温度传感器将感温模块和ADC集成到一块芯片上,大幅减小了芯片面积,能将温度参数转换成数字输出方便后续的处理。在临床、冷链运输以及各类电子设备中应用广泛,实际应用中设备需要对温度做出精确的控制以优化设备的性能,因此温度传感器芯片具有较高的精度要求。随着晶体管尺寸的减小,芯片性能大幅提升,工作频率亦越来越高,芯片一旦进入重负载状态其温度上升会非常快。若系统不能及时对升温做出响应,可能会导致
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CMOS智能温度传感器将感温模块和ADC集成到一块芯片上,大幅减小了芯片面积,能将温度参数转换成数字输出方便后续的处理。在临床、冷链运输以及各类电子设备中应用广泛,实际应用中设备需要对温度做出精确的控制以优化设备的性能,因此温度传感器芯片具有较高的精度要求。随着晶体管尺寸的减小,芯片性能大幅提升,工作频率亦越来越高,芯片一旦进入重负载状态其温度上升会非常快。若系统不能及时对升温做出响应,可能会导致芯片性能降低甚至烧毁。因此对温度传感器的转换速度有了更高要求。本文设计了一款高速高精度温度传感器,其核心电路包括前端感温和后端ADC两个部分,其中感温模块的精度决定了温度传感器的精度,ADC主要影响转换速度。本文所设计的温度传感器使用CMOS工艺中纵向寄生双极型晶体管作为感温器件,采取二阶温度补偿技术获取高精度基准电压。两个BJT通过偏置在不同电流下获取不同的基极-发射极电压,运用减法器将两个VBE以合适的比例相减,可以获得一个线性度较好的与绝对温度成正比的电压,以此作为感温信号。且感温信号全温度范围内变化较广,提升了ADC的有效量程。前端感温电路将携带温度信息的电压和高精度基准电压送入SAR ADC进行量化。SAR ADC中的比较器采用自动调零技术以提高分辨率,采用电荷再分配型DAC和分段式电容阵列减小功耗并节约面积,且采用了负压关断开关防止电荷泄露。本文采用SMIC 0.18μm工艺,芯片时钟频率为10MHz,电源电压为3V,温度测量范围为-40～125℃。整体仿真结果表明所设计的芯片能在7.8μs内输出10位二进制码,全工艺角下最大感温误差为0.53℃。温度传感器整体功耗最大为1.71m W,版图面积为0.12mm~2。
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