论文部分内容阅读
温度传感器作为最早研究开发、应用最广的一类传感器,其在医疗领域被广泛应用且不可替代。与传统分立式温度传感器相比,集成温度传感器与CMOS工艺兼容,可将温度感应电路与信号处理电路集成于同一芯片,兼具成本低,体积小,灵敏度高,误差小等优点。本论文主要完成两款CMOS温度传感器及其接口电路的设计,分别为适用于视网膜假体系统的温度传感器及适用于体温检测的温度传感器(体温计)。适用于视网膜假体系统的温度传感器需要实现0.5℃的灵敏度,它基于X-FAB 0.35-μm工艺设计,由温度感应电路产生与温度相关的电压信号,并通过全差分运放进行信号放大以提升灵敏度,最后通过10-bit SAR ADC转化为数字信号输出。经过电路设计、版图设计、流片并测试后,该温度传感器能在20-50℃范围内实现0.125℃的灵敏度,平均功耗在占空比工作模式下仅为2.205μW。相较于视网膜假体系统中的温度传感器,体温计需要实现更高的灵敏度,更小的误差,这也是体温计设计的重难点。首先,本文通过大量文献调研,确定体温计采用的电路系统架构。该架构利用CMOS工艺下的寄生双极型晶体管产生与温度相关的感应电流,并将感应电流转化为占空比随温度正相关变化的方波信号并通过计数器转换成数字信号。然后,本文对体温计的各个子模块进行了分析与设计,并针对运放的失调电压、双极晶体管或电流镜的失配、有限电流增益β等所引起的误差,分别引入斩波技术、动态元件匹配技术以及有限电流增益补偿技术来减小。最后,该芯片在X-FAB 0.18-μm工艺下进行版图设计并流片。经过仿真验证,该芯片在1.8V电源电压下的平均功耗为58μW,芯片面积为0.14mm~2,在35-45℃范围内温度误差达到±0.02℃(37-39℃)、0.15/-0.11℃(<37℃,>39℃),灵敏度为0.011℃,满足体温计的性能指标要求。