（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗低失调数字体温计的研究与设计.pdf

低功耗低失调数字体温计的研究与设计 摘要 本文概述了体温计以及集成温度传感器的发展历史、现状和趋势。阐述了 c m o s 集成温度传感器的原理和优势，指出了本课题的研究意义。分析了c m o s 工艺下m o s 器件的温度特性，对m o s 电容和m o s 模拟开关的结构做了研究。 对基准源的类型和优缺点进行了分析和比较，指出带隙基准源的优点，选取了改 进型带隙基准源的结构。研究了c m o s 电路功耗的组成与产生原因，阐述了降低 功耗的主要途径，并按照低功耗、高可靠性要求设计了体温计的整体电路。深入 剖析了电路的失调机理，结合目前流行的斩波调制技术，设计了低失调基准电路。 通过对各类集成温度传感器性能和特点的研究，设计了新的低功耗占空比调制型 数字体温计电路，包括温度传感电路、一阶调制电路和数字占空比检测电路。 温度传感电路以衬底p n p 型b j t 作为感温元件，采用电流输出模式，按照带隙基 准原理获得与绝对温度成正比f p t a t ) 电流以及与绝对温度成反l b ( c t a t ) 电流，并 以前者作为与温度相关的原始电信号。在电路设计上一方面改进运放结构，采用 低压共源共栅结构以提高其增益，另一方面蕤体传感电路采用自偏置结构和共源 共栅电流镜结构，在低电源电压下成功设计了低功耗、低失调、高线性度和高电 源电压抑制比的p t a t 电流产生电路。根据前级温度传感电路的电流信号，在满 足性能要求的前提下尽量简化电路，设计出的一阶一调制电路不但很好地完成 了信号转换，而且更符合一体化结构的要求。电路中的偏置均由基准源提供，降 低了功耗和芯片面积。选择折线插值法进行非线性校正，通过硬件描述语言 v e r i l o g 对体温计的占空比检测电路进行了设计，采用m a t l a b 软件进行拟合仿真， 获得了分段线性化输出方程，最后将信号转换为b c d 码，在七段数码显示屏上 输出。选择了台积电0 2 5 p 。mc m o s 工艺库，利用h s p i c e 仿真工具对整个温度 传感电路进行仿真测试，结果显示所设计体温计在3 0 。c 5 0 。c 的温度范围内具 有0 0 1 。c 以上的检测精度、0 1o c 的显示精度和1 8 0 9 w 的最小功耗。 关键词：体温计；集成温度传感器；低功耗；低失调；数字占空比检测电路 i i a b s t r a c t t h i st h e s i ss u m m a r i z e dt h ed e v e l o p i n gh i s t o r y ，p r e s e n ts i t u a t i o na n dt r e n d so f t h e r m o m e t e ra n di n t e g r a t e d t e m p e r a t u r e s e n s o li nt h i s t h e s i s ，p r i n c i p l e sa n d a d v a n t a g e so ft h ec m o si n t e g r a t e dt e m p e r a t u r es e n s o rw e r ed e s c r i b e d ，a n dt h e r e s e a r c hm e a n i n gw a sa l s op o i n t e do u t t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fm o s f e t ， t h ec o n f i g u r a t i o no fm o s f e t c a p a c i t o ra n dm o s f e ta n a l o gs w i t c h ，b a s e do nc m o s p r o c e s s ，w e r er e s e a r c h e d t h ea r t i c l ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt h et y p e ，t h em e r i t sa n d d e m e r i t so fv o l t a g er e f e r e n c e ，p o i n t e do u tt h ea d v a n t a g e so fb a n d g a pr e f e r e n c e ( b g r ) ， a n dt h ei m p r o v e dc o n f i g u r a t i o no fb g rw a sc h o s e n t h ec o n s t i t u t i o na n dt h e g e n e r a t i o no fc m o sc i r c u i tp o w e rw e r er e s e a r c h e d ，t h em a i nm e t h o do fr e d u c i n g p o w e rw a si l l u s t r a t e d ，a n dw ed e s i g n e dt h ew h o l ec i r c u i to ft h e r m o m e t e ra c c o r d i n gt o t h er u l eo fl o wp o w e ra n dh i g hr e l i a b i l i t y c o m b i n i n gt h ep o p u l a rc h o p p e rm o d u l a t e t e c h n o l o g y , t h ed e s i g no fl o wo f f s e tr e f e r e n c ec i r c u i tw a sp u tf o r w a r da f t e ri n d e p t h a n a l y s i so ft h eo f f s e tm e c h a n i c s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho ft h ep e r f o r m a n c e so f v a r i o u st e m p e r a t u r es e n s o r s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dan e wd u t yc y c l em o d u l a t e dd i g i t a l t h e r m o m e t e rc o n f i g u r a t i o no fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，w h i c hi n c l u d e st e m p e r a t u r e s e n s i n gc i r c u i t ，f i r s t o r d e r 一am o d u l a t ec i r c u i ta n dd i g i t a ld u t yc y c l em e a s u r i n g c i r c u i t t h et e m p e r a t u r e s e n s i n gc i r c u i ta d o p t sc u r r e n t o u t p u tm o d et a k i n gp n p s u b s t r a t et r a n s i s t o ra st e m p e r a t u r es e n s i n gd e v i c e a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h eb g r ， p t a ta n dc t a tc a nb eg e n e r a t e df r o mt h ec i r c u i t ，a n dt h ef o r m e ro n ei sr e g a r d e da s t h ei n i t i a ls i g n a lw h i c hc o r r e l a t i n gt ot h et e m p e r a t u r e o nt h eo n eh a n d ，t h ed e s i g n u s e sl o wv o l t a g ec a s c o d eo pf r a m e w o r kt oi m p r o v ei t sg a i n ；o nt h eo t h e rh a n d ，i t a p p l i e ss e l f - b i a sa n dc a s c o d es t r u c t u r et ot h ew h o l es e n s i n gc i r c u i t 。b yu s i n gt h e i m p r o v e dm e t h o d ，w eh a v es u c c e s s f u l l yo b t a i n e dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wo f f s e t ， h i g hl i n e a ra n dh i g hp s r rp t a tc u r r e n tg e n e r a t o ru n d e rl o wp o w e rs u p p l y b a s e do n t h ec u r r e n ts i g n a lf r o mt h ep r o c e e d i n gs t a g e t h ef i r s to r d e r am o d u l a t o rd e s i g n e d c o u l db es i m p l i f i e di nt h ep r e c o n d i t i o no fp e r f o r m a n c es a t i s f a c t i o n ，a n di ti sg o o di n a c c o m p l i s h i n gs i g n a l c o n v e r s i o na n dc o u l db e i n c o r p o r a t e d w i t ht h ef o r e s t a g e b a n d g a pc i r c u i t t h eb i a sv o l t a g ei nt h ec i r c u i ti ss u p p l i e db yt h eb g r ，w h i c hr e d u c e s t h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ea r e ao ft h ec h i p 。t h i s p a p e rt a k e sp o l y g o n i n t e r p o l a t i o na sn o n l i n e a rc a l i b r a t i o nm e t h o d ，a d o p t sh d lv e r i l o gt od e s i g nt h e d i g i t a ld u t yc y c l em e a s u r i n gc i r c u i t ，f r o mw h i c hw eh a v eo b t a i n e dag r o u po f 珏l 堡鍪塑堡耋墼鍪兰篓銎茎墼圣塞皇璧茎 s u b s e c t i o nl i n e a re q u a t i o n sa c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nb yu s i n gt h ea i do ft h em a t l a b f i n a l l yw eh a v et r a n s f o r m e dt h es i g n a li n t ob c dc o d e ，w h i c hc a nb ed i s p l a y e do i lt h e s e v e n s e g m e n tn u m e r i ci n d i c a t o r t h et s m co 2 5ump r o c e s sm o d e ll i b r a r yw a s c h o s e nf o rd e s i g n 。a n dt h eh s p i c es i m u l a t o rw a su s e df o rt h ec i r c u i t s s i m u l a t i o na n d t e s t t h er e s u l t ss h o w st h a tt h em i n i m u mm e a s u r i n ga c c u r a c yo ft h et h e r m o m e t e rw e d e s i g n e di so o l 。co rl o w e ri nt h er a n g eo f3 0 。c 5 0 。c ，t h ed i s p l a y i n ga c c u r a c yi s 0 1 。ca n dt h em i n i m a lp o w e rc o n s u m p t i o ni sj u s t18 0 9 w k e yw o r d s ：t h e r m o m e t e r ；i n t e g r a t e dt e m p e r a t u r es e n s o r ；l o wp o w e r ；l o w o f f s e t ；d i g i t a ld u t yc y c l em e a s u r i n gc i r c u i t i v 湖嵩大学 学位论文原翎性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注弓i 用的内容外，本论文不包含任何熊 他个人或集体已经发表或撰写的成果作晶。附本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 俸袭签建： l 焘法 l 疆麓：沙# z 年歹秀三擎基 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套 阅军口惜阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数搬滕进行检索，可以采用影印、缩印或扫攒等复制手段保存积汇编本学德 论文。 本学霞谂文藩予 l 、保密日，在年解密后适用本授投莓。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方樵内打“”) 作者签名： 翩签名：嘞铆 日期：2 一口z 年岁月辨日 日期：跖年，月坤日 磺士学链论文 第1 章绪论 人体髂滢计实凌数字纯怒人粕长麓爨来努力韵毽臻。戳撞摄然提窭嚣季孛不曩 戆数字测爨方法，但郝毽为实理豹复杂稠髂糨靛笨莛瑟难彗圭实辩键瘸。_ i 蕴年来， 随羲数字澡度测量方法磅究螅日臻成熟积集成魄路技本熬快速发黢，诲多过去使 用分立元件或小规模集成电路难以实现的方法，现在通过大掇模集成电鼹并续合 一些特殊的方法，在单片集成呶路上褥以实现。扶两使体激计从条 牛苛刻、操终 繁琐的模拟体瀑 向辍爱灵瑾、使壤方臻的数字体温计过渡成为霹能。 1 1 体瀑计发展的历史和现状 温发怒存在于饔溅世界懿一个基本物理爨，它露大类黪生滋魏生蠢有整密切 斡联系。攀矮人类对激发熬认识只髭处予鑫努感翔器富去定性地戆知它的存农。 塞到十七戳纪，睫罄魏理学煞* 起入类认识潺发熬努力才蠢了突破蛙躲避震， 1 5 9 2 年，懑大列学者搬利略研制成世界上第一支气温溢度计。那爨一支秀交发蛉 直形细嚣，封闭的一端呈球形，寒封闭的一端搦在水曼，霹从管内水柱的毫低测 出气温。因为它只能用于测定大气湿度交化，敖亦拣“寒暑袭”。1 6 5 4 年，蚀刹略 的学生扶遗枣用溪糖健蛰零楼，磐虽把雯一端瞧封蠲起寒，这裁憝褒代瀑度诗懿 雏形。1 6 5 7 年，意大铡阿克褥卷难又月球镶媳饕了涟麟，这样藏与现代懿湛度诗 相差无几了。现代温度计的摄氏刻发，是1 7 4 2 年根攒瑞典科学骞摄尔塞耘改定 的冰的熔点为零度，水的沸点为一西度作为计冀单位的，遮便是现代所称的摄氏 温度计。 人体傣温计的如现是体隧着潺度诗的发明鼹诞生的，已经露薅露多年驰历史e 1 7 1 4 年，德国物理学家华论海特，初鼓磅割豹傣湿表是恕藏黄灏精鲍玻璃管放褒 冰雪和盐的混合物里，看玻璃管内酒精隆到哪里，刻上一条线，然后把袭含入口 中，看酒精升到哪里，又剿上条线。把这两条线作为固定点，鞭把两条线之间 分成0 9 6 0 。这就是初期的体温计。厢来，华海徐特把冰点定为3 2 。，沸点为2 1 2 。， 发鳃了牮氏温标。1 7 4 2 年又发甥了o 1 0 0 。的摄氏潺拣，从此蜜蠛了钵温计酶剡 度标准化。1 8 6 5 年，楚国的阿尔伯特发明了一种缀有特色的体温计，特点是储存 水银的细瞥里有狭道，当体温计接触人体厢，水银很快茭到人体实际体温处， 取出后水银柱不下降，而是襁狭道处断开，使狭道以上部分始终保持体温度数。 这种温度计受捌了临床的欢迎和普及应髑。但随着人们要求的不断提高，其殿应 速度慢、操作不方便、易损坏等不足之处也目渐显现。玻璃体溢计一旦破碎，产 低葫糕羝失灞数字体溢计鹣磺究与设计 生购汞璩摩及时竣集处璞。因为汞挥发到空气中，会产生毒链缀大麓汞蒸气。它 可通过呼吸遴和皮赋壹接接触侵入人体，霹畿引趣全隽多系绞恭采中毒。与易醛 的玻璃体温计相比，电予体淑计在这方疆裁显褥熨毒考睦势，它是把体温用电予数 字的形式恩示出来。1 9 8 4 年芬兰的一像医疗器槭爆发暖了一耪电予钵遗诗。 电子瀑发测爨方式是照慧墩子技术熊兴起蠢姨速发展豹一门学科。宅弱怒材 料随激发变豫戆参数转换戏电稼号对湛度遴季亍测爨。早期的瞧子滠液测爨臻采鼹 模拟技术的方法，对传感器的j 线性补偿采用分立式瞧踌进行各罩孛方法豹 偿， 线路复杂、体积庞大、可靠性低，废用受到很大的制麴，后来计算机的如璎及楗 关技术的发展使测量的精度和漱度控制能力有了缀大的提赢，但徐橇昂贵。徽魄 子技术靛发鼹使这一希望逐步变成了璎实。十零懿，罄片钵瀵计嶷贼电黯开始闷 世，毽当时出于m o s 电鼹技术尚来成熟，电路多采羯摸数工蕊剁造镶号，处理 方式也以模拟信号处理方式为主，餐方厦的性熊不尽如人意，加上份格离，发展 受到很大制约。现在数字集成电路技术和相应的数字信号处理理论捆对成熟，开 发制造成本大幅下降，为新一代电子体温计的开发创造了良好的先决条l 牛，以数 字技术为主要技零的新一代魄予体滠计又一次成为关注裴麟究的对蒙。 1 2 温度传感器的现状及发展趋势 从狭义上泉谈，体温计即种小型的温度传感器。因此，湿度传感电路是体澄 计中最重溪翻最关键鹣部分，其参数据标鬟接影酾到整令体瀑计浆性躯。 1 2 1 溢度传感器豹发瀑绣程 现代倍惠技术的三大蒸麓是信怠采集( 帮传感嚣技术) 、信息传输( 通稽技术) 和 信意悠毽( 计算梳技术) 。传戆器属予信慧援术鞴代信惑技术的三大鏊确怒信息采 集( 帮僚戆器技零) 、僖愚传输( 邋信技术) 帮落惠处疆 诗算辊技术) 。佟感器属于信 意技术豹前活尖端产品，尤菸楚滠发话感器被广泛瘸子工农堑生产、科学礴究和 生活等领域，数最高屠各种传懑器之首阻奠。邋百年采，漩度传戆器的发展大致 经历了以下三个阶段： f 1 ) 传统豹分立式湿度传感嚣( 含敏感元释) ： f 2 ) 模撅鬃残潺凄传感器控铡嚣； f 3 ) 智辘湛液佟感器。 秘藩，溺舔上裁整濑度传憋器难觚模攒式淘数字戚、由集藏仡淘智畿纯、潮 络栊懿方囱发展。遴入二十一毯纪螽，智畿溢凌传感器正赣着裔糖发、多臻能、 总线搽准亿、褰霹靠性及安全性、开发寝拟传感器和潮终转感嚣、磷裁攀片测滠 系绞等裹科技约方自迅邃发展。 硕士学位论文 传统的分立式温度传感器一一热电偶传感器 热嘏徭传撩器是工泣溯量中应用鼗广泛豹一种温度传感器，它与被铡对象直 接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度；测量范围广，可以从5 0 0 c 1 6 0 0 。c 进行连续测量，特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测刹2 6 9 。c ，钨铼 最裹可达2 8 0 0 。c 。 模拟集成漱度传感器 集裁溢度传感器是采弼硅半导体集成工艺裁成静，囡诧齐称硅转感器或单片 集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在2 0 世纪8 0 年代问世的，他将温度传感 器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出等功能。 模搬集成滠度传感器的主要特点是功能攀一f 仪测量滋度，溅渥谖差小、俊 格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要 遘抒饕线佳校难，羚围电鼹麓单。 智能温度传感器 智畿温度转惑嚣( 亦称数字温度传感器) 怒在2 0 檄纪9 0 年代中期闻馓的。它是 微电子技术、计算桃技术和自动测试技术( a t e ) 的终晶。隧前，黧际上昆开发出多 种智能温度传感器系列产品。智熊温度传感器内部包含温度传感器、a d 转换器、 结号处理器、存铸嚣f 或毒存嚣) 秘接强邀爨。毒的产品还黎多路选择嚣、中失控 制器( c p u ) ，随机存取存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。 智熊温度传感器能输粥溢度数据及相关豹滠度控制鼙，适配各种徽控涮器 ( m c u ) ，并且w 以通过软件来实现测试功能，其智能化取决于软件的开发水平【4 1 。 1 2 2 集成温度传感器的优势 目前采用的温度传感器主要有三大类。第一类是热电偶，它利用两种不同金 媾材料热电势龅差舅，把瀑度转按成穗应的电售号。测爨瀑凄时灵敏度比较低， 温度变化1 度时只能输出数十微伏的电愿信号。第二类是销电阻，它得用铂金电阻 率隧瀣度交纯测温，辕窭专温度相关豹毫疆镰号。这耱传感器体积跑较大，不适 宜测量快速变化的温度场。第三炭是半导体热敏器件，它利用半导体材料中载流 子浓度隧温度嶷纯的规律渊温1 5 】。 传统蛉湛发传感器f 妻鞋热电镁、铂电阻、双金属开关簿) 有谗多局限性，只旋 提供模拟信号输出，而且在大多数应用中输出端需臻另外配置比较器、a d 转换器 或放大嚣等。忿矮逐受裂辫装钵积、线往表袋谈及准确溲憝铡约，聚镧了蔡在镦 型化高端电子产品的应用。集成电路温度传感器比越热敏电阻器有着明显的优点， 毽括准确度高，体积更小，功耗蹙低，更加逶合在集成电路系统中应用。 温度传感器集成电路的电压输出与温度成正比，在棚当宽魄范围爽，都具有 很高的准确度。反之，热敏电阻器的电压输出与温度不具有线性关系，需通过查 低功耗低失调数字体温计的研究与设计 表或外加线性化电路，才能得到准确的温度。而且，热敏电阻器在高温区段电压 变化率很小，不翁分辨，造成温度测量的误差较大，这是热敏电阻器的最大缺点。 相比之下，集成电路游度传感器因萁电压输国与溢度成线住关系，无论程高滚或 低溢范围内，准确凄都是一样豹。 此强，嶷成媳路滠度捷感器的输出阻抗较低，功糕也较低。热敏电臌器通过 消耗电流感受温度，功耗较高。长时间感受温度使热敏电阻器本身的温度也升高， 测艇温度的准确性降低。而且各种规格的热敏电阻器产品彼此存在差异，电子响 应性能不一教，使用前都需要进行梭调，在大量生产盼增加成本和辩阖。 麸戏本上分辑，尽营攀令热敏魄疆器豹馀揍低，熄它必须热入攘关元 牛才能 达剁集成电路湿度传熊器的准确度，从烂体上说，热敏电阻器所需的成本更高。 采用集成电路温度传感器需要较少的芯片支持，占用印刷电路板的空间小。而且， 系统设计可以简化，节省设计时间。 1 2 3c m o s 工艺下的温度传惑器 在以硅为基础的半导体集成电路中，可戳实现温度传感器功能的器件单元主 要有集成电阻、m o s 鑫钵管、疆二裰管、载辍晶体警耨c m o s i 艺下豹鸯生被极 晶体罄等。其中蔟或迄阻寿惑色熬长期稳定性，但没有较好的线性疫，无法满足 高精度运用的要求。m o s 晶体管的温度基本信号来自阈值电压和迁移率，主要限 制因素是高温下会产生漏电流、复现能力低、容差大和长期稳定性篾，在高性能 要求时必须有大范围的微调和校准工作。硅二极管和双稷黯体管的p n 结能产生正 琵于溢度懿宅歪，钱点楚低裁本、逛色蕊长期稳定程、赢灵敏发、霹羲测蛙窟彝 摆关温度鲍| j 寸闻黪壤颇性。缺点是受自生成热、工艺窑差的影响，以及热循环后 信号有小漂移和小数量级的非线性。目前，随着c m o s i 艺的臼益成熟和完善， 在c m o s 工艺中利用寄生双极晶体管做为温度传感元件的集成温度传感器越采越 受到人们韵关注。琥今c m o s i 艺成为主寻工芑，莠隧着l c 集成度豹提离稻便携 式设备豹普及，能在标准数字工艺孛实现载c m o s 集成湿度接感器具煮低电源、 低功糕、占用碰积小、易于在同一芯片上进行信号调节和信号处理的优点，大大 节省了成本，提高了效率。 对于c m o s 温度传感器的设计，依据不葡的传感原理，入们也提出了不问的 设计方法 6 - 9 ：涮焉m o s 磊俸管在弱爱整区瓣奄往矮疆毽；m o s 晶体警阕鏊逮匿 h 葶霹壤效因子熬涅度性矮；臻形振荡器的频率湿度摺关原理；单黠硅内部热扩 散常数的热相关性成等。但这些方法都各自存在一些性能上的不足，现在大多数 的c m o s 温度传感器的设计是利用c m o s i 范中的寄生双板晶体管做为溢度敏感 元件，从而达到与双极晶体管接近的漱度髋雏。采用静络梅裔c m o s 缎向双极晶 体管( c v b t ) 和c m o s 横肉双缀鑫体管( c l b t ) ，躲强1 。l 联示。 硕士学位论文 e b c be6 c | | p + | n + l p + l 倒恒恒 n 阱n 阱 p 村底 图1 1c m o s 寄生双极晶体管剖面图 其中，c m o s 纵向双极晶体管( c v b t ) 是以源漏扩散作为发射极，阱作为基区， 衬底作为集电区，它的性能与典型的双极晶体管比较接近，如p e r t i j s 和b a k k e r 用 o 7 9 m c m o s i 艺实现的该类型传感器【1 0 1 。 而c m o s 横向双极晶体管( c l b t ) ，是以m o s f e t 的源、漏扩散为发射极和集 电极，沟道区作为基区。它的工序相对更简单，且集电极不受限制。其性能与典 型的双极晶体管相比，不足的是沟道下迁移率的不均匀性( 由于基区注入浓度的偏 差) ，以及基极一发射极面积和基区宽度无法定义。b i a n c h i 等人设计的即为该类型 的传感器】。 这样，在c m o s i 艺中采用了这种比较简单的方法也实现了近似双极晶体管 温度性能的结构，实现了线性的温度测量。 1 2 4 温度传感器的发展趋势 温度传感器的发展引人注目 1 2 1 ，无论在国内还是国外，温度传感器使用范围、 应用领域正在迅速扩大。现代微电子、微细加工、计算机、新型材料、超导技术 等又为新型温度传感器的研制和发展奠定了基础。 向商精度方向发展 由于自动化程度的不断提高，对测量灵敏度高、精度高、响应速度快的温度 传感器需求较多，今后的发展也必将在这方面有所提高。 向高可靠性、长寿命方向发展 温度传感器的可靠性直接关系到测量设备的抗干扰和测量误差问题，也关系 到测量结果的准确性，而能在低温环境下工作，具有较长的使用寿命会降低科研 生产成本。 向集成化方向发展 温度传感器的集成化是实现其小型化、智能化和多功能化的重要保证，随着 微电子技术的不断发展，许多国家已将感温元件、补偿电路、放大电路、处理元 件等集中在同一芯片上，甚至将多个传感器集中在一个芯片上，以实现功能与数 据处理一体纯。 囱，l 、鼙诬、皴鍪馥方巍发震 体获丈静渥疫簧臻器使瘸惹袋不方便，也会瑟鬟终麓瓣遥藏滚爨。徽黧瀑瘦 佟感器可满足特残场合静使用要求，降低加工制作成本。与魏穗对或，溺繇上小 楚温度传感器普遍发展，如日本掰制豹极细型热电偶，封装后外径只脊0 + 2 5 m m 。 ! 向智能化方向发展 传统温度传感器的概念已从单纯的测量温度用的敏感元件发展为以濑度传感 器为基础的测量系统，即在集成化的溅础上，具有信号测量、处理、存储、误差 与自诊断能力，扩大了应用范围，增强抗千扰能力，便于与计算机通讯。 从传统材料向新材料发展 瀑度傣感器的设计都是利愆一魃材糕戆物瑾、化学性能随温度交纯的禳簿来 避嚣。霾筵，为了臻鞠毽薪鳖滚发赞感器，还嚣要磅餐囊誊孝秘，发瑗茭凝效缴、羲 瑷象，激渍是麓产晶夔 受诗要求。瓣麓，一些国家正在羡矮墩寒、缡激技零，遴过 黢铡粉体的平均粒度进辛亍传感器糖科搀杂技术豹研究。在裁造溢凄传戆瓣的糖籽 巾，半导体材辩已经占据主导地位，约占4 0 ，石英、陶瓷材料很有发鼹前途，一 燠无机材料、有机合成材料、复合材料以及金属合金，已经或正在成为人们研究 的新目标。 从模拟化向数字化发展 传统温度传感器输出的都是电压、电阻等模拟量，测量精度低；传感器与电 予技术相结合，可以实现模拟量转换为数宰量输出，便于提高检测精度。突现疑 动控制，减夸偶然误差。 向民耀方自发震 莰嚣强貔一些瓷辩来看，字靛或葵穗高、糖、尖领麓嚣簧毖爨发袋艇成熟。 缀伏藏会将技术应矮妥民溺领域，秘飘每年民用待感嚣静产蓬增长迅速，以翻本 为倒，近些年的年增长率约为3 0 。 1 3 本论文的主要工作 本论文在借鉴他人研究成果的糕础士，借助微电子技术和当代相对成熟的数 字信号处理理论对以下几个方面作了熏点的研究： l 低功耗与低失调是本论文中羹点磷究秘设计鸵赫题。随着电路藏模的隐蕴增 大，低凌耗设诗霹予嚣用便携式惫予产箍笼瓷重要，麴餐在镶证邀爨谯艉瓣藩提 下愚量降低毫臻懿凄嚣莛零论文豹熏黉工落。筵终，蠢予邀源毫基戆醛低，器秘 不涎配弓| 起运敖失调不容忽税，这纛绞影响戮整个电路的往麓指标。酶低电路失 调弓 起豹偏差是本论文豹重点解决闯怒。 硕士举位论文 2 线性交换弓l 起的测量误差是各耱传感器溅量系统中主要的误差来滚。本论文采 耀f p g a 律鸯王吴，霹鼗字部分邃行竣嚣与傣囊，羟模羟毫路产生懿嚣线瞧误差 邋过数字毫路爱理在最大程度上减小系统误差，撵毫雄礁疫。 毫路功能设诗完成后仅是完成魄潞全部设计的一部分，要真正谈产麓熬够物 理实现并为市场所接受，尚有许多工稼方面的技术问题。 本设计采用台积电( t s m c ) 0 2 5 1 a mb s i m 3c m o s 标准工艺实现体濑计的设 计。该工艺的基本技术参数如表1 1 所示。 表1 1t s m c0 + 2 5 p t m 工艺技术参数 参数n m o sp m o s 8 0 1 9 6 2 e - 1 3f e r a1 8 8 9 e 1 3f m 岛x 3 93 。9 死； 7 e 一0 9 瓣 7 1 e ，0 9m c o x 2 7 6 3 e 7f e r a 22 6 6 e 一7f e m 2 c j 1 1 7 4 9 6 1 e 。3f m 21 s 3 8 4 4 1 e 3f m 2 3 4 3 3 7c m 2 v s1 1 3 3 6c m 2 ，v s v , h 0 0 5 4 0 7 v0 8 6 5 7 5 v 且0 6 8 6 4 0 4 21 1 2 1 4 6 1 以n 1 6 0 6 4 3 e 5v2 2 0 6 4 3 e 5v 1 4 本论文的主要内容 ? 本论文的主要鑫静是以糕功耗和低失调为重点碜 究对象，设计籁歼发一种完 众基于标准c m o s3 - 艺的数字型智熊体温计。论文的内容主要包括溢度传感电路 设计( 含基准源) 、数模信号调制电路设计和数字输出设计三个部分。采用两个匹 鼯己的c m o s 衬底p n p 双极型晶体管e b 结电压降作为与温度相关的熬本信号。 传感器的温度传感电路将温度信号转化为与温度成正比的电流信号，通过z 调 制器电路和占空比检测电路进步熨现数字化输出。着重于低功耗、低失调和信 号检测方面的设计。 第一章，首先回顾了体温计及漱度传感器敕发展历史和现状，介缁了粲成智 戆滠疫转感嚣装优势和霖理，及来慕滠痰传感器的发展趋势。 第二章，怼m o s 器磐及其穗藏元骛豹鹱麓参数敷了蔻簿蘑透，瑟蘩港深麓类 囊、参数和结构终了分辑帮院较，掇出选取改逶垂基准结构。 第三章，分析了集成电路的功耗组成和产生原因，指出7 了减小功耗的主要方 低功耗低失调数字体温计的研究与设计 法和途径，提出可靠性和版图设计的要求。 第四章，针对低功耗原则设计出体温计电路结构。重点介绍了电路产生失调 的原因以及解决方案。通过参照和对比各类文献，提出采用斩波器结构改进电路， 大大减小了运放的失调，设计出了电路工作所需要的低失调电压基准源，提高了 电路的稳定性与精确度。 第五章，对温度传感电路的设计做了详细的分析，分别对正温度和负温度系 数获取电路进行了研究。阐述了调制电路的设计，介绍了一a a d c 的工作原理， 结合电路的要求设计出了一阶转换电路，并对比较器进行了分析和设计。 第六章，选取折线插值法作为数字非线性校正方法，对其在具体电路设计中 的实现方法进行了描述，采用硬件描述语言v e r i l o g 对体温计的占空比测量电路进 行了设计并通过f p g a 验证。所设计的数字电路对调制信号进行处理，使温度信 号从模拟信号转换成数字信号输出，最后将信号转换成b c d 码，在七段码显示 屏上输出，完成可视化转换。 第2 章m o s 器件特t 睦及基准源的选取 2 1m o s f e t 的溅度特性 由m o s f e t 的伏安特性方程可肴出，器件的电特性由p 和阀值电压决定，p 中与温度有关的是沟道载流子的迁移率h ，因此m o s 器件的溅度特性主黧出迁移 率帮蔑潼邀藤豹潺度特怒共闻决定。 2 1 1 阈值电压的温艘特性 在m o s 结构中，必了侵半导体袭蘧出现强爱型，扶藤形成导电沟邋所翥翅 豹糯源电难稼为溺僮电聪，再l 强h 表示。所谓强爱塑是指表灏积累豹少予浓浚等 于甚至超过多数载流子状度的状态，即能带弯曲懋表面势等于两倍费米势的状态， 蒜用风表示表面势，袭示费米势，则： 珞2 匕：必( 2 1 ) q 对于理想的m o s 结构，在外加栅压为零时，能带处于平赢状态，施加栅压 藤，蔻带发缴弯馥，半鼯俸的表嚣势完全产生予韩黯撵极电疆，瑟： = 十 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，r i o 。代表栅氧化层上的压降，这表明，# l - 力n 栅聪的一部分降落在栅 鼹他层上，从瓶在m o s 结构中产生感应电荷；蕊另一部分则降落在半导体表厦 主，傻表瑟耱帮弯蘧，产生表瑟势，瑷撵谣耱盛戆感瘟毫蘩。缀琚鞭上分橱，可 得理想m o s 结构的闽值电压为： n 巧w = 吃+ 2 = 一挚+ 2 ( 2 。3 ) 乙茁 q b 。a x 为表面耗尽艨中单位面积上的电荷密度最大值，q 。为栅氧化朦的单位 面积电容。 但是在实际m o s 络梅中存在袭藤态电萄密度q s s ，金禳一半导体凌滋数差 甑。困_ l 龟，在瓣压为零辩，由于f l s s 和；翡佟溺，表蘅携带已经发生窍蓝， 为了使能带恢复到平直状态，必须程栅极上施加一定的栅压，使能带恢复刹平直 状态所需加的栅压称为平带电压硌b ，可得： ，1 巧。一一一号等 ( 2 4 ) o 删 因此，可得实际m o s 结构的阈德电压表达式如下： 低功耗低失调数字体温计靛研究与设计 巩峨+ 2 肾一半+