（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗cmos烟雾探测器芯片的设计.pdf

摘要 烟雾探测器被广泛应用于火灾探测，在火灾的早期识别和报警上具有极为重 要的作用。探测器处理芯片作为其中的核心单元，对传感器信号进行采集、处理， 控制整个探测系统的工作。本文设计了一种基于光电式烟雾传感器的探测器芯 片，通过检测火灾发生时空气中的烟雾状况，实现对于火灾早期的识别与报警， 并能够对非火灾因素进行排除，消除误报，以实现可靠的安全监控。该芯片为一 款数模混合芯片，采用c m o s 高压工艺实现，具有高探测精度，低功耗和可测 性等优点。 本文在研究光电型烟雾探测器系统的基础上，设计了一款用于烟雾探测的， 具有低功耗、可测性的专用芯片。首先通过对系统功能及应用环境的分析，提出 设计指标，制定系统的可测性的设计方案，通过系统、时序和电路的角度达到低 功耗的设计要求，并进行整体系统架构的设计，划分出各个功能模块。在此基础 上开展电路设计，包括可编程光电放大器、比较器、基准源产生电路、闸门态虚 地信号产生电路、电平判断电路和b j t 管驱动电路等。在进行混合信号的系统 仿真验证，保证功能正确实现后，采用c h a r t e r e d0 3 5 1 a mc m o s 高压工艺完成版 图设计，并交付流片。对于流片后的芯片进行测试，系统对空气中的烟雾判断正 确，并且系统的平均工作电流只有7 p _ a ，达到了低功耗的设计要求。 本文具有的创新性工作主要体现在对于系统的低功耗设计方面。在系统中设 计了一种休眠模式，在此模式下工作时可以大幅降低功耗；并采用自主设计的闸 门态虚地信号电路，减小系统的静态电流，降低了系统的功耗，延长了使用寿命。 关键词：烟雾探测低功耗可测性虚地信号 a b s t r a c t t h es m o k e d e t e c t o ri sw i d e l yu s e di nf i r e f o r e c a s t ；i tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i nf i r ei d e n t i f i c a t i o na n da l a r mi nt h ee a r l ys t a g e a st h ek e yp a r t ，t h es m o k e - d e t e c t o r c h i pi su s e dt oc o n t r o lt h ed e t e c t i n gs y s t e mb ys a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gt h es e n s o r s i g n a l s t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da n a s l cs m o k e d e t e c t o rc h i pb a s e do f ft h e p h o t o e l e c t r i c a ls e n s o r b yd i s t i n g u i s h i n gt h es m o k ec o n d i t i o n s ，t h ef i r ed a n g e rc a n b e d i s c o v e r e da n da l a r m e di na ne a r l ys t a g e a l s ot h ec h i pc a nm a k eo u tt h ef a l s ec a s e st o a v o i dm i s a l a r m ，s oa st ob u i l dar e l i a b l es a f em o n i t o r i n gs y s t e m t h i sc h i pi sa a n a l o g d i g i t a lm i x e dc h i p ，f a b r i c a t e di nt h ec m o sh i g h - v o l t a g ep r o c e s s ，i th a st h e a d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n ，l o w - p o w e ra n dh i g ht e s t a b i l i t y b a s e do ns t u d yo ft h ep h o t o e l e c t r i c a ls e n s o rs y s t e m ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da l o w p o w e ra n dt e s t a b l ea s i cc h i pu s e df o rs m o k ed e t e c t i o n b ya n a l y z i n gt h es y s t e m f u n c t i o n a l i t ya n da p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g ng o a li sb r o u g h tf o r w a r d ，a n dt h e s y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g ni sf i n i s h e dt om a k et h em a n a g e a b l ef u n c t i o n a lp a r t sc l e a r , a n da l s ot h el o w p o w e ra n dt e s t a b i l i t yd e s i g nm e t h o di ss c h e m e do u t t h ec i r c u i t d e s i g ni sp r e c e d e db a s e do nt h er e s e a r c h ，a n dt h ep a p e rm a i n l ya n a l y z e st h ed e s i g n m e t h o d ，c i r c u i ti m p l e m e n t a t i o n ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h el o w - p o w e ro p t a m p l i f i e r , t h ec o m p a r a t o r , t h eb a n d g a pr e f e r e n c e ，t h es t r o b ep s e u d o g r o u n dc i r c u i t ，e t c a 缸rt h em i x e d s i g n a ls y s t e ms i m u l a t i o np r o v e dt h ef u n c t i o n a l i t yo ft h ec i r c u i t ，t h e l a y o u ti sd e s i g n e du s i n gt h ec h a r t e r e do 3 5 j x r nh i g h - v o l t a g ep r o c e s sa n dt h ec h i pi s t a p e do u t t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt h es y s t e mw o r k sa si t i se x p e c t e d ，a n dt h e e n t i r ef u n c t i o n a l i t ya n dd e s i g ng o a li sf u l l yr e a c h e d t h ea v e r a g ew o r k i n gc u r r e n ti s o n l y7 衅，w h i c hm e a n st h a tt h ec h i ph a sr e a c h e d t h el o w p o w e rd e s i g ng o a l t h ec r e a t i v i t yo ft h i sp a p e ri sp r e s e n t e db yi t sl o w - p o w e rd e s i g n as l e e pm o d ei s d e s i g n e di nt h es y s t e mt os a v ep o w e ru n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s a l s oa ni n n o v a t i v e s t r o b ep s e u d o - g r o u n ds i g n a lc i r c u i ti sd e s i g n e dt or e d u c et h es t a t i cc u r r e n ts oa st o c o n t r o lt h ep o w e rc o n s u m p t i o na n di m p r o v et h el i f e s p a no ft h eb a t t e r y k e yw o r d s - s m o k ed e t e c t ，l o wp o w e r , m e a s u r a b i l i t y , p s e u d o - g r o u n ds i g n a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高岑 签字日期：卵孑年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘兰有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：南劣 导师签名：疹诊霞 签字日期：胛学年占月ze l签字日期：咖留年石月7e l 第一章概述 1 1 课题背景及意义 第一章概述 本文课题来源于天津大学a s i c 设计中心与f r e e s c a l es e m i c o n d u c t o r 公司合作 的烟雾探测器芯片的研发，该芯片主要用于烟雾探测，预防火灾的发生。 火灾是由时空上失去控制的燃烧引发的灾害现象。火灾存在的年代十分久 远，人类出现以前，它表现为自然火灾，如森林火灾、煤炭自燃等。今天这种火 灾仍然存在，不仅吞噬地球上的宝贵自然资源，而且破坏生态，污染环境。火灾 也一直伴随着人类的社会经济活动，因此人类一直与火灾进行搏斗，保护所创造 的财富，使其免于火灾损失【1 】。 火灾发生时与环境相互作用所表现出来的物理特性，被应用于火灾探测技 术，以实现安全监控。烟雾是火灾的早期特征之一，具有流动性和标志性。火灾 烟雾是由气、液、固相微粒群组成的混合物，具有体积、质量、温度、电荷等物 理特性。不同的燃烧状况，即明火燃烧、热解和阴燃，影响烟雾的生成量、成分、 烟雾颗粒直径和特性。其中阴燃形成的烟雾使材料热解的挥发凝聚而成的高分子 组分，明火燃烧中产物形式为炽热固态微小颗粒，其粒径从0 2 5 9 i n 到1 0 0 肛m 1 2 】 不等。而检测火灾发生的传感器主要是以火灾发生时产生的烟雾为参考物，进而 判断是否存在明火现象。 早期比较成熟的烟雾传感器是离子型烟雾探测器，诞生于1 9 4 1 年的瑞士， 曾在火灾探测领域得到广泛的应用。离子型烟雾探测器是通过相当于烟敏电阻的 电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子的微电流变化装置。当烟雾粒子进入电离 室，改变了电离室空气的电离状态，从而宏观表现为电离室的等效电阻增加引起 电离室两端的电压增大，由此来确定空气中的烟雾状况1 3 , 4 。离子型烟雾传感器 采用的是传统的接触式烟雾探测方法，从理论上分析，离子型烟雾传感器对灰烟、 黑烟一级各种粒径大小的烟雾具有比较平衡的探测性能，只是存在响应行为的数 值差异。它对焰火产生的小颗粒烟雾粒子十分敏感，对于粒径较大的阴燃烟雾粒 子，响应灵敏度则偏低，尤其是安装高度的限制，粒径大于1 岬的烟雾粒子由 于自身的重力影响而下沉，不易到达烟雾探测器而引起响应。 离子型烟雾传感器的生产成本较低，但是由于电离室的设计中采用了放射性 元素，其生产、储存、运输和报废的过程有污染环境的危险。离子型烟雾传感器 的滤网对于灰尘和飞虫等有隔离作用，但是探测器本身极易受湿度、风速等环境 第一章概述 的干扰1 5 1 。 本文所设计的烟雾传感器系统，基于烟雾的颗粒状特性，探测其对于光线的 散射光。在探测器的光电室内含有一个红外光源和一个光敏器件，光电接收器接 收红外光在烟雾粒子表面的散射光。光源发出脉冲光束，保证传感器系统的低功 耗工作状态。应用此结构和原理制成的光电传感器，结合后端处理系统，可以实 现对于火灾进行早期可靠的识别与报警，并对非火灾因素进行排除，消除误报与 漏报。烟雾探测器包括烟雾探测和信号处理两个层面的内容。在第一层面中，又 包含探测原理与传感器设计两个环节，利用传感元件捕捉火灾烟雾对于光线的漫 反射特性，并转换成可处理的物理模拟量：在第二层面，根据火灾经典模型和背 景环境的特征，对采集的物理量进行信号处理，判断火灾是否发生1 6 j 。 与离子型烟雾传感器相比，光电烟雾传感器的灵敏度更高。并且在本文的设 计中，为传感器系统加入了报警限可调的设计思想，即使安装高度很大，也可以 对空气中的烟雾及时地做出判断并且实时报警。而且光电式烟雾传感器在生产、 运输、应用和报废的各项环节中不存在污染，可以放心的使用。 1 2 国内外发展状况及趋势 烟雾探测器在安全领域中的应用极具前景。由于火灾防范已经是保障国计民 生、人民财产和生命安全，确保生产和服务正常运行的关键性问题，因此烟雾探 测芯片有着极大的市场前景。本文所设计的光电式烟雾探测器传感器系统在同类 市场中占有极大的份额，但是相关的处理芯片多数仍为国外公司控制和垄断。本 文设计的完成在具有理论意义的同时，对于推动国内相关领域的发展也具备一定 的实践意义。 烟雾探测器是传感器中的一种，传感器在工业生产、国防建设、科学技术领 域发挥着巨大的作用。传感器正向微型化、多功能化和智能化的方向发展。由于 微电子技术的飞速发展，可以将敏感元件、信号处理装置集成封装在一块芯片上， 使得传感器系统的小型化和微型化得以实现。而由此带来了心得课题，就是系统 的低功耗设计n 口- i n 性设计_ ，8 】。 集成电路产业发展至今，低功耗设计已经成为所有高性能电子设备所必须遵 守的规范，因为功耗算的上是影响设计的最为重要的一个因素。由于烟雾探测器 中多数使用电池供电，因此增加使用寿命，降低系统功耗，就成为了首要解决的 问题。国外一些先进设计厂商设计生产的烟雾探测器的功耗很低，经过实际测试， 平均工作电流只有4 9 a ，大大节省了耗电的能量。因此实现低功耗设计也是本文 的主要方向之一。 第一章概述 为了降低重复设计成本和测试成本，对于系统进行可测性设计也是必须的， 这也是当今集成电路设计的主流方向。可测性设计就是在设计阶段把降低测试难 度纳入设计规范。目的是为了降低电路测试费用或提高故障覆盖率，在电路设计 阶段对原电路进行修改，但不影响其性能的技术方法。国际上流行的可测性设计 方法有很多，本文针对系统的混合信号的特点，制定了比较完善的可测性设计方 案。 1 3 论文结构安排 本文设计了一种基于光电式传感器的烟雾探测器芯片。该芯片除了正常实现 烟雾探测功能外，还在系统中加入了一些特色功能，并实现了低功耗和可测性的 设计。 本文第一章是概述，论述了课题的背景和意义，对比了常用的几种结构的烟 雾传感器优缺点，并研究了该领域国内外的发展动态，最后安排了论文的结构。 第二章进行系统级的设计。按照系统的功能设计了整体系统架构，并划分功 能模块，实现整体的功能。重点为系统的低功耗设计和可测性设计思路。 第三章中对各个功能模块进行具体的设计，完成系统中要求达到的各项功 能，并完成对于单个模块的功能仿真验证。设计中除实现单独模块的功能，还考 虑了各模块之间协同工作的影响。 第四章中首先给出对于设计进行的系统级的混合信号的功能仿真和性能方 面的验证。对封装后的芯片，使用f r e e s c a l e 公司专业的测试仪器进行板级的测试， 验证设计的正确性，并找出缺陷和不足。最后对于本次设计中的版图设计进行总 结。 第五章是对全文的总结，总结设计研究中的经验，并提出工作展望。 第二章烟雾探测器的系统设计 第二章烟雾探测器的系统设计 2 1 系统整体功能 烟雾探测芯片是一款数模混合信号的芯片，包含复杂的低功耗模拟电路和数 字电路。该芯片与光电探测腔体和一些简单的外部元件构成一个采样系统，能够 探测空气中来自微小烟雾粒子或其他烟雾的散射光，从而判断空气中的烟雾等级 并实时报警，实现烟雾探测的目的【9 】。 2 1 1 系统的基本功能 系统的应用电路如图2 1 所示： 图2 1 系统电路 r 6 l k r 7 4 7 k 图中i r e d 是由芯片内部输出的时序信号，控制烟雾探测腔体中的发光二极 管( d 3 ) 对空气中的烟雾进行探测。当空气中没有烟雾时，由于探测腔体内的光敏 二极管( d 2 ) 在发光二极管( d 3 ) 的光路之外，d 2 内部不会有光生电流产生，因此 4 第二章烟雾探测器的系统设计 不会有任何信号输入到芯片内；当空气中存在烟雾时，各种微小的颗粒对d 3 发 出的光线进行漫反射，再由光敏二极管( d 2 ) 探测由烟雾颗粒反射过来的光线，将 光信号转化为芯片可处理的电信号，由d e t e c t 端输入到芯片内部的运算放大 器，对采样得来的“烟雾”信息进行判断处理。引脚p i n i 和p 1 n 2 外接电容c 1 和c 2 ，与芯片内的运放构成开关电容放大器，决定运算放大器的阂环增益i l 们， ，1 且由芯片内部的时序开关控制有，彳1 ，= 1 + 。通过选取r 8 、r 9 和r 1 0 的阻值 l o 大小，可以设定芯片内运算放大器的共模输入电平。使芯片内的运算放大器正常 的工作在某一增益下，准确的处理采样得到的烟雾信号，配合芯片内其他的模拟 模块和数字模块，正常的进行烟雾探测的功能。 2 1 2 输入输出接口 i o 端作为芯片的输入输出接口，用来实现芯片与外部设备之间的通讯。i o 端作为输出使用时，可以用来实现4 0 片s m o k e 芯片的“线或”连接，也能用 来驱动应急逃生灯和其他的些系统外部的报警设备。当i o 端作为输入时，由 于芯片内部连接的数字滤波器，可以在芯片内部时序信号的控制下对i o 端口的 输入信号进行采样。一旦发现报警信号，10 m s 后立刻进行第二次采样确认。如 果两次采样结果相同，系统就会报警，并同时将i o 端置为输出使用，将报警信 号传送给其他烟雾探测系统或报警单元。 2 1 3 报警功能 系统的报警动作由芯片外接的蜂呜器和发光二极管( d 4 ) 实现。如图2 1 中所 示，输出引脚b r a s s 和s i l v e r 受控于芯片内的时钟信号，当系统检测到烟雾 存在时，驱动外接的蜂鸣器( h o r n ) 进行报警。l e d 端同样受控于芯片内的时序 信号，外接d 4 的阴极，因此输出低电平有效。当系统没有检测到烟雾信号的时 候，发光二极管( d 4 ) 每3 2 s 闪烁一次，即l e d 每3 2 s 输出一次有效低电平。 2 1 4 电池低压检测 系统会周期性的对电池电量进行检测，并将检测到的电压信号由l o w b a t 端输入到芯片内部的比较器进行判断。决定低压报警的方法如下图2 2 所示。由 r 6 和r 7 对电源电压进行分压，采样到的电源电压信号l o w b a t 与芯片内的基 准电压信号s t r o b e 进行比较。如2 2 中的坐标图所示，低压报警的阈值的确 p d 定方法是：v d d 一5 = ：冬v d d ，则t h r e s h o l d = 二+ 5 。因此可以通过改变 第二章烟雾探测器的系统设计 外部电阻r 6 、r 7 来调节系统低压检测报警的阈值。另外r 6 和r 7 是接在v d d 和l e d 输出之间的，以实现分压的功能，并由片内对l e d 电平进行控制，在 l e d 不闪烁的期间输出高电平，消除r 6 、r 7 支路的导通电流，从而降低系统的 功耗。 v 图2 2 低压检测 t t h r e s h o l dv d d 系统处在无烟雾环境时，l e d 每3 2 s 输出一次有效0 电平脉冲，此时r 6 、 r 7 支路打开，进行低压检测。在此时间以外，l e d 输出为9 v ，支路电流为0 ， 从一个程度上降低系统功耗。 2 1 5 系统时钟信号 由芯片内部的振荡器o s c 模块和外部的电阻电容( r i 、r 2 、c 3 ) 决定系统 工作的时钟信号。时钟周期为7 9 m s ，有效脉冲宽度为1 0 5 l a s 。如图2 3 所示。 作为系统的基本时钟信号，由芯片内部的分频器进行多路分频，供给芯片内部各 个模块使用。 - q1 p c k - 错 焉6 第二章烟雾探测器的系统设计 2 1 6 系统工作模式控制 系统的工作模式受控于输入管脚p i n l 6 ( t e s t ) 的电压，如图2 - l 中所示，按 下s w l 时，t e s t = v d d ，工作于简易测试p b t ( p u s h b u t t o nt e s t ) 模式，用于简 易功能测试；按下s w 2 时，由片外电阻r 1 6 和芯片内部的n m o s 管的等效电阻 r n n 对v d d 进行分压，得到t e s t = 兰；，激活系统的短时静默i m f ( i n t e g r a t e dm u t e z f u n c t i o n ) 功能，使蜂鸣器的报警静默8 分钟；s w l 和s w 2 都断开时，系统正常 工作于烟雾探测模式；引脚p i n l 6 外接- - 5 v 电压时，使系统工作在系统测试 c a l ( c a l i b r a t i o nm o d e ) 模式，用于系统功能测试。这三种工作模式将会在2 3 节 中详细介绍。图2 4 所示的系统工作状态图说明了系统从上电开始的工作流程。 图2 - 4 系统工作流程 第二章烟雾探测器的系统设计 2 2 系统架构 在芯片中处理烟雾信号的模拟电路和控制系统时序的数字电路协同工作，完 成了2 1 节中所述的各项功能。所设计的系统框图如图2 5 所示。烟雾信号由p 1 n 3 i r e d c l c 2 d e t e c t o s cr l 图2 5 系统框图 t e s t b r a s s s i l v e r l e d 端输入到d e t e c t 模块进行检测判断，内部包含运算放大器、比较器、采样保 持电路和基准源电路。该模块工作的频率要与腔体中发光二极管( d 3 ) 的工作频率 相同，即d 3 每闪烁一次，该模块就进行一次采样，判断是否需要报警。并将结 果送到数字逻辑模块，输出固定频率的时序信号到h o r n 和l e d 模块驱动外部 报警单元。i r e d 模块的输出连接片外b j t 三极管的基极，驱动发光二极管( d 3 ) 。 因此在电源电压变化的时候，要求i r e d 的输出始终是有效电压为3 v 的时序信 号。图中s t r o b e 模块的输出是一个闸门态的虚地信号，它一方面作为运算放 大器的虚地端使用，另一方面受控于数字逻辑模块的时序信号，管理着运算放大 r 第二章烟雾探测器的系统设计 器的工作方式，将其在非采样阶段工作时的功耗降为零。这是整个芯片设计中比 较核心的模块。 系统最基本的时钟信号由振荡器o s c 模块产生，时钟波形如图2 3 所示周期 为7 9 m s 。该时钟信号输入到逻辑模块中进行整数分频，共输出1 2 路不同频率 的时序信号，并通过数控逻辑模块控制系统的采样、报警、低压检测等基本功能。 并能够在系统处于不同工作模式下，提供不同的时序信号，方便进行调试和后续 的测试工作。 另外由i o 模块完成输入输出接口的功能，p i n l 5 连接的模块完成对于电池 低压检测报警的功能，i m f 模块完成报警静默的功能。 这个系统的设计，就是将各个功能相对独立的模块在数字逻辑模块的“串连” 下，组成一个完整的系统，完成预期的功能。对于整个系统，要求其能够适应的 工作温度是1 0 0 c 到7 5 0 c ：应用电池供电，电源电压的范围是6 v 到1 2 v ；平均 工作电流为7 5 衅。 2 3 系统工作模式 系统的工作模式可以分为四种：正常工作s t a n d b y 模式、短时静默i m f 模式、简易测试p u s h b u t t o nt e s t ( p b t ) 模式和系统测试c a l i b r a t i o nm o d e ( c a l ) 模 式。系统由p i n l 6 ( t e s t ) 引脚的不同接入电压，来控制系统的工作模式】。如 下表2 1 所示： 表2 ：l 2 3 1 正常工作模式 输入管脚p i n l 6 ( t e s t ) = o v 时，系统工作在s t a n d b y 模式下。系统上 电后，会产生全局复位信号p o r ，大约持续3 0 螂。在p o r 信号结束后，芯片内 的r e s e t 信号会再持续1 6 个系统时钟周期。将i o 检测模块、本地烟雾检测模 块和i m f 模块都重新复位。r e s e t 信号结束后，系统开始正常的烟雾探测工作。 在i r e d 和s t r o b e 信号的配合作用下，系统受控工作。当s t r o b e 输出有效 ( v d d 5 ) 时，运算放大器正常工作在正常增益n o r m a lg a i n ( 1 翊环增益= 4 0 0 ) 的情况 9 第二章烟雾探测器的系统设计 下，对腔体探测到的烟雾信号进行放大，结果送到比较器( 与v d d 3 5 v 比较) 进 行判断。当运放的输出结果比v d d 3 5 v 更低时，系统认为检测到烟雾，采样周 期由8 s 次加速到2 s 次。经过两次采样确认后i l2 | ，认为存在烟雾，开始报警。不 存在烟雾时，l e d 会以4 0 9 6 c k 的周期闪烁，表征系统正常工作；检测到烟雾后， l e d 的闪烁周期为系统时钟周期的6 4 倍，并伴以蜂鸣器的呜叫。 在s t a n d b y 模式下，系统会周期性的对于电池电量( l o w b a t ) 和腔体灵敏 度( c h a m b e rt e s t ) 进行检测。周期都是3 2 s ，l o w b a t 电池电量监测发生在时钟下 降沿，c h a m b e rt e s t 腔体监测发生在时钟的上升沿。但是当系统检测到烟雾并进 行报警时，这两种检测都会暂停，当系统退出报警状态后，检测会继续。 2 3 2 短时静默模式 输入管脚p i n16 ( t e s t ) - - - v d d 2 时，系统工作在i m f 模式下。此种工作模 式是有前提条件的。首先系统正常工作在s t a n d b y 模式下，假设有人在烟雾 探测器下抽烟，或烟雾探测器的工作环境存在浓重的灰尘或水汽，均可以导致探 测器报警，这是不希望发生的，属于误触发。此时需要按下器件外部的m u t e 按钮，会将p i n l 6 接入v d d 2 的电压信号，激活系统的i m f 功能。 i m f 被激活后，会使蜂鸣器( h o r n ) 静默，芯片内部的计时器开始计时，计 时时间是2 ”c k ( c k = 7 9 m s ，大约是8 分钟) 。此时，l e d 仍然在6 4 c k 的周期下 闪烁，系统的采样周期仍然为2 s 次，且比较器的比较电压下降为v d d - 4 v ，用 于检测是否存在重度烟雾( h is m o k e ) 。以下的几种情况会使系统中断i m f 功能 并立即报警：( 1 ) 计时8 分钟结束，但仍然存在烟雾；( 2 ) 远程i 0 报警信号；( 3 ) 在静默期间，采样到的信号经运算放大器的处理后比v d d 4 v 更低即认为存在 h is m o k e 。另外，系统进入p b t 模式时，i m f 功能自动被切断。 2 3 3 简易测试模式 输入管脚p i n l 6 ( t e s t ) = v d d 时，系统工作在p b t 模式下。这是一种简易 的测试模式。在此模式下，i r e d 和s t r o b e 的周期都是0 2 5 s ，加速系统的工 作，运算放大器工作在超级增益s u p e rg a i n ( 闭环增益= 4 0 0 0 ) 下，对微小信号也极 其敏感。将探测腔体中的反射信号进行放大，模拟出烟雾信号的情况使系统报警。 这实际上是为购买客户准备的一种十分简易的工作模式，能够很方便的测试 烟雾探测系统是否能正常的报警工作。 1 0 第二章烟雾探测器的系统设计 2 3 4 系统测试模式 c a l ( c a l i b r a t i o nm o d e ) 的工作模式是专门为芯片测试而准备的。在t e s t 端接 入5 v 的电压信号，由电平判断模块进行判断后，向芯片内的数字逻辑控制模块 输出一个高电平有效的c a l 信号，使系统工作于c a l 模式。此时各个引脚的功 能和作用都有很大的变化。将系统之中关键的中间信号和核心模块的输出通过数 字逻辑模块的控制，连接到各引脚读出。 2 。3 。5 各模式间的切换 整个烟雾探测系统主要是靠管脚p i n l 6 端输入的不同的电压信号来决定系统 的工作模式的。表征这种关系的直观框图如下图2 - 6 所示： t e s t 图2 - 6 工作模式转换图 信号 如图中所示，由电平判断电路检测p i n1 6 端的电压高低，控制i m f 功能模 块并产生p b t ( p u s h b u t t o nt e s t ) 信号。p i n1 6 接入一5 v 电压时，系统进入测试模 式，由b u f t 模块产生c a l ( c a l i b r a t i o n ) 信号。上述的各个信号都输入到数字逻 辑控制模块中，控制整个系统在这四种工作模式间进行转换。 2 4 系统的低功耗设计方案 由于探测器采用电池供电，因此低功耗设计成为整个电路设计的关键。对于 传感器系统的低功耗设计有很多方法。从时序上考虑，可以延长系统的工作周期， 并使系统在采样工作期间可以用最少的时间完成最多的“任务”；从细部模块考 虑，可以降低系统的工作电流，从而减少系统的总功耗。本文提出一种新的方法， 第二章烟雾探测器的系统设计 产生一个闸门态的虚地信号，控制传感器系统的关键模块运算放大器的工作模 式，从而达到低功耗的要求。 2 4 1 系统级低功耗设计 作为一个系统使用，仅仅考虑来自芯片的功耗还是不够的，因为芯片外部的 元件一样要消耗电池的能量。因此在设计整个系统电路的时候必须将芯片外的电 路元件考虑进去【1 3 】。 如图2 - 7 中所示，r 8 、r 9 和r 1 0 通过对电源进行分压为芯片内的运算放大 器输入共模电压。r 8 连接到v d d ，而r 1 0 并没有连接到地端，而是与芯片的输 图2 7 系统低功耗设计 出信号s t r o b e 相连。因为s t r o b e 控制着运放的工作。当它的输出是v d d 5 v 的时候，运放正常的工作，此时这三个电阻的两端存在电压差，进行分压为运放 输入共模电压；当s t r o b e 输出v d d 时，运放是停止工作的，也不会需要共模 电压，此时三个电阻的两端也没有电压差，在这条支路上不存在电流，达到节省 功耗的目的。同时这也对s t r o b e 的输出信号提出了更高的要求，在输出稳定 的v d d 5 v 电压的同时，r 8 、r 9 和r 1 0 上的电流也会从s t r o b e 泄放出去。 因此需要s t r o b e 在具备稳定输出的同时，还必须具备泄放大电流的本领。也 就是要求s t e o b e 具有很低的输出阻抗，驱动能力很强。 在2 4 1 节中提到的低压检测功能，实际上也包含着低功耗的设计方法。因 为低压检测需要对电源电压进行周期性的采样。不仅仅是用时序信号控制芯片内 的比较器，最好让被采样的信号也是周期性的。如图2 - l 中所示的那样，用r 6 和r 7 对电源电压进行分压，分压得到的信号就是被采样的信号。显然，如果r 7 的一端接到g n d ，则此路就会有一个常通的电流。所以在设计中使报警用的发 1 2 第二章烟雾探测器的系统设计 光二极管d 4 的阴极与芯片的l e d 相连，这就要求l e d 输出的有效电平是0 电 平。效仿刚刚对于s t r o b e 信号的使用方法，将r 7 连接到l e d 输出端。在d 4 闪烁的同时，会有采样信号输入到l o w b a t 端，同时利用芯片内部的时序信号 控制比较器和l e d 同时工作，完成低压报警检测的功能。当d 4 不闪烁的时候， 低压检测报警的比较器也停止工作，l e d 输出高电平，r 6 、r 7 支路没有电流流 过，节省电池的能量，达到低功耗的设计要求。 2 4 2 时序上的考虑 在烟雾探测芯片中，要求系统在时序信号的控制下对空气中的烟雾进行探 测。 为了降低芯片的功耗，首先从控制时序着手。降低系统的采样频率，使其工 作周期增长，在s t a n d b y 时的频率仅为0 1 2 5 h z ，即每8 秒采样一次；当检测 到烟雾时，再加速采样，频率变为原来的4 倍成为0 5 h z 。这样可以使烟雾探测 器的核心模块运算放大器在相对较长的时间里停止工作，降低系统的功耗。在每 s t r o b e e n a c k 卜7 舳s 卜 运放土卜运放正常，工作 图2 8 系统工作时序 8 s 个有效信号来到，系统工作在采样阶段的7 9 m s 内，运放的工作仍然要受到时钟 信号c k 的控制，在1 0 5 1 a s 内完成对采样信号的放大处理【1 4 】。如图2 。8 所示。所 以在低频信号的控制下，系统的工作时间很短，而在系统采样工作的7 9 m s 内， 核心电路的工作时间更短，于是芯片内的平均功耗得以降低【1 5 】。 第二章烟雾探测器的系统设计 2 4 3 电路上的考虑 降低功耗的比较直接的方法就是限制系统的工作电流，使其尽可能的降低。 因为系统中大部分的模块都需要来自偏置电路提供的偏置电流，因此谨慎的设计 偏置电路的电流可以限制系统的总体功耗。 当系统处于非采样期间时，虽然受时序信号的控制大部分模块均停止工作， 但即使切断运放的偏置信号，终止它的放大功能，电源和地之间仍有微小的电流 通过，产生静态功耗。因此考虑输出一路信号作为虚地端，在非采样期间将各模 块的v s s 抬升到电源电压的水平上，使两轨之间不存在电压差，消除静态电流 所带来的功耗。 出于以上的考虑，设计一个电路模块，输出一路作为运算放大器虚地端的电 压信号，就是图2 1 中s t r o b e 模块的输出信号。要求当运算放大器正常工作 于采样阶段时，s t r o b e 输出稳定的v d d 5 v 的电压作为运放的v s s 使用，此 时需要s t r o b e 能够泄放较大的电流，并且有良好的温度特性；在运算放大器 停止工作的时候，s t r o b e 信号输出电压与电源电压相等，作为运放的虚地端， 此时运算放大器的两轨之间没有电压差，就不会存在静态电流，消除了运算放大 器的静态功耗，使芯片的整体功耗降低。 2 5 系统的可测性设计 作为一个复杂的混合信号的系统，可测性的设计显得尤为必要。可测性设计 就是在设计阶段把降低测试难度纳入设计规范。目的是为了降低电路测试费用或 提高故障覆盖率，在电路设计阶段对原电路进行修改，但不影响其性能的技术方 法1 1 6 , 1 7 1 。 在本系统中，为方便测试而专门设计了一种工作模式，对应于2 3 4 节中的 c a l 模式。系统工作于该模式下的时候，工程师可以对于芯片各项功能和性能 进行细致的测试。当系统进入和离开c a l 模式时，芯片内部都会产生一次全局 的复位信号( p o r ) ；当系统工作在c a l 模式时，i r e d 与c k 同频率，且s t r o b e = v d d 5 v ，运算放大器始终正常工作；且l e d 和h o r n 的输出也不再具有报 警信息，l e d 表示的是i m f 计时模块的计时时间，h o r n 的两个引脚的输出表 征的是比较器的输出和模拟模块输出给数字控制模块的“烟雾信号”。 1 4 第二章烟雾探测器的系统设计 s 2 图2 - 9 可测性设计 此时i o 端口只作为输入端使用，与p i n l 5 配合，可以控制如图2 - 9 中s l 、 s 2 和s 3 的开关，从而控制运算放大器的工作模式，并且由p i n i 和p i n 2 读出运 放的输出信号。如表2 2 所示： 表2 2 2 6 本章小结 本章从总体的角度完成了烟雾探测系统的系统级设计，在分析系统功能的基 础上，完成了系统架构设计，并详细分析了芯片的低功耗和可测性设计思路和方 法。 第三章功能模块设计 第三章功能模块设计 在系统设计完成的基础上，对各功能模块开展具体电路设计。在c a d e n c e 设 计环境中，采用c h a r t e r e d0 3 5 9 m 高压工艺，完成电路设计及功能和性能仿真。 在系统仿真正确的基础上，最终完成芯片的版图设计，并投片验证。 3 1c m o s 高压工艺简介 3 1 1 有源区的耐高压 m o s 管的源极( p 管) 或漏极( n 管) 有可能接至电源电压，因此在高压工艺中需 要考虑源区或漏区能否承受高电压。下图3 1 所示，是普通工艺和高压工艺中不 p g sd i u i l l 叫r n 图3 1 高压工艺与普通工艺 n f f i 同的m o s 管制程。以n i m o s 管为例，漏极接高电压，a 图是普通工艺，b 图是 高压工艺。在普通工艺中，电源电压较低，因此漏区和p 型衬底形成的反偏p n 结足以承受，但是在高压工艺中就会存在危险。 t 厂 通常的p n 结电压击穿都是雪崩击穿造成的。由于p n 结耗尽区中e = 乏，当 d 反偏电压升高，耗尽区电场强度增强，导致载流子携带的能量增大，与晶格原子 碰撞发生雪崩击穿。为了防止击穿的发生，应该使电场强度e 降低，那么可以降 低漏区的掺杂浓度，使p n 结的耗尽区宽度d 增加，达到降低耗尽区的电场强度 e 的目的。所以在高压工艺中，将源漏区坐落在“n 阱”中，使原来承受高压的反 偏p n + 结变为现在的反偏p n 结。显然n 阱中的载流子浓度要远低于n + 扩散区的 载流子浓度，即此时承受高压的反偏p n 结的耗尽区宽度更大，使耗尽区电场强 1 6 第三章功能模块设计 度相对降低，能够承受更高的电压。因此应用此工艺绘制版图的时候，与普通工 艺的画法也会有所不同。 3 1 2 最小沟道长度 在现代工艺中通常用离子注入法形成n 阱，它还包含一道高温退火的工序。 退火结束后，如图3 2 所示的源漏区的范围会向外扩散，从而使有效沟道长度 b -nn p s u b 图3 2 沟道长度的影响 变短。如果在高压工艺中的沟道长度l 设置的比较短，会使源漏区的耗尽区连通 在一起，发生穿通。为了避免发生穿通，需要增大l 的最小值。因此在c h a r t e r e d 0 3 5 p m 高压工艺中，沟道长度l 的最小值规定为1 2 9 m ，相应的沟道宽度的最 小值为1 8 9 m 。 3 1 3 栅氧的耐高压 当栅极电压比较大时，栅极氧化物容易发生击穿。一般在氧化物厚度为l o o a 时，栅极电压在6 - 7 v 就会发生击穿，会使栅极和沟道间存在连接阻抗。因此 在高压工艺中，需要增加栅极氧化物的厚度，以承受高压。栅氧厚度增加对于电 路设计带来的最直接的影响就是阈值电压的改变。由于栅氧厚度增加，栅氧中携 带的电荷量必然会增大，那么在沟道中镜像的电荷量相应的增加。由式3 1 ： = k 坼+ 鲁 ( 3 - 1 ) 耗尽区电荷得增加，直接导致阈值电压上升。在c h a r t e r e d0 3 5 9 m 高压工艺 中，经过仿真和手算模型，得到的阈值电压是： y r h 附o s = 9 8 8 3 m yv 掰? k m o s = 1 0 6 7 v 第三章功能模块设计 3 2 系统的偏置电路设计 系统的偏置电路至关重要，它为运算放大器、比较器等功能模块提供电流偏 置，使其正常工作。由于系统工作温度的跨度较大，电源电压在6 v 到1 2 v 内变 化时，均需要系统正常的工作，因此需要偏置电流有良好的电源抑制比和温度特 性。另外，在系统上电的同时，需要一个全局复位信号p o r ( p o w e r o nr e s e t ) ，这 个信号可借助偏置电路产生。因此在设计该功能电路时将这两个功能同时实现。 此模块在芯片上电时产生数字模块所需要的全局复位信号p o r ，并在芯片工 作期间负责为芯片中的功能模块提供偏置电流，实际是为各模块中的n m o s 管 和p m o s 管分别提供相应的偏置电压。其中p o r 信号的有效时间大约为2 0 邮 到3 0 雌，如图3 3 所示，可以将系统中的i o 模块、本地烟雾检测模块和i m f 模 块都重新复位。 该模块的输入就是电源电压，输出为p o r 、n b