（微电子学与固体电子学专业论文）集成测温电路设计.pdf

d e s i g no fi n 协g 啊t e dt h e r m o m e t e r d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o n a n k a iu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h u p e n g s u p e r v i s o r ：g a oq i n g y u n d e p a r t m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s c o l l e g eo fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds c i e n c e n a n k a iu n i v e r s i t y , t i a n j i n , p r c h i n a m a y , 2 0 0 8 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 玄耻呜 - 浙分年r 月2 了日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在孓年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 专清逗 学位论文作者签名： 协艺朋匀 解密时间： 7 i o ，弓年岁月j 7 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学雠文储硌吻鹏 湃r 月7 日 摘要 摘要 本文的目的是设计误差能控制在2 的集成测温电路，它将被应用于充电 电池的温度检测中。论文首先选择了合适的测温方法，对测温系统的行为级模 型进行了建模，并对它的可行性进行了仿真；之后在模型的基础上进行了模拟 电路和数字代码的设计，设计采用了0 1 8 微米c m o s 工艺，模拟数字电源分别 为3 3 v 、1 8 v ；最后通过了数模混合仿真验证。 在模拟电路中，本设计用到了带隙基准、逐次逼近模数转换器、测温用数 模转换器三个模拟模块。基准模块负责为系统提供参考电压参考电流；s a r a d c 用来对热敏电阻的端电压进行精确量化；t e m p d a c 把数字控制的数字量转化 为电流。 基于精度的要求，本文对可能引入的误差进行了系统、深入地分析，提出 了可行的解决方案并用于实际电路中，得到比较理想的结果。 换器 关键词：集成测温电路带隙基准逐次逼近模数转换器测温用数模转 a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g no fa l li n t e g r a t e dc i r c u i tf o rt e m p e r a t u r em e a s u r e w h o s ee r r o rc a l lb el i m i t e di n 2 i tw i l lb eu s e dt od e t e c tt h et e m p e r a t u r eo f c h a r g i n gb a t t e r i e s f i r s t l y , t h et h e s i ss e l e c t saf i tm e t h o dt om e a s u r et e m p e r a t u r e ，a n d b u i l d su pab e h a v i o r a lm o d e lf o rt h ew h o l et e m p e r a t u r em e a s u r es y s t e m ，a n df i n i s h e s s i m u l a t i o nt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo fo u rm e t h o d s e c o n d l y , t h i st h e s i sd e s i g n st h e a n a l o gc i r c u i ta n dd i g i t a lc o d eb a s eo n0 18 u mc m o sp r o c e s sw i t h3 3 v ( a n a l o g c i r c u i t ) a n d1 8 v ( d i g i t a lp a r t ) s i n g l es u p p l y f i n a l l yt h es i m u l a t i o ni n c l u d i n gd i 舀t a l c o d ea n da n a l o gc i r c u i ti sm a d et op r o v et h ev a l i d i t yo ft h es y s t e m b a n d g a pr e f e r e n c e s ，s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na n a l o gt od i g i t a l c o n v e r t e r s ( s a r a d c ) a n dd i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r sf o rt e m p e r a t u r em e a s u r e ( t e m p d a c ) ， w h i c ha r ea l la n a l o gb l o c k s ，h a v eb e e nd e s i g n e di nt h i st h e s i s b a n d g a pr e f e r e n c e si s u s et op r o v i d er e f e r e n c ev o l t a g ea n dr e f e r e n c ec u r r e n t ；s a r a d ci su s e dt oc o n v e r t t h ev o l t a g eo ft h e r m a lr e s i s t o rt od i g i t a ls i g n a l ；a n dt h et e m p d a ci su s e dt oc o n v e r t t h ed i g i t a ls i g n a lt oa n a l o gc u r r e n t a g e n e r a la n a l y s i so ft h en o n i d e a le f f e c t s ，w h i c hc a np r o d u c ee r r o r , i sm a d ei n t h i st h e s i s s o m ee f f e c t i v es o l u t i o n s ，w h i c ha lea p p l i e di nt h ec i r c u i t ，c o d ea n dl a y o u t ， a r eg i v e n k e yw o r d s ：i n t e g r a t e dc i r c u i to ft e m p e r a t u r em e a s u r e ，b a n d g a pr e f e r e n c e s ， s a r a d c ，t e m p d a c 目录 目录 第一章引言1 第二章测温电路的基本原理3 第三章测温电路的行为级设计与仿真7 第一节分段曲线拟合方案7 第二节分段查表方案1 1 3 2 1 基本原理1 l 3 2 2 两种测温方式的比较1 4 第三节影响测温电路精度的主要因素以及对应校准措施1 5 3 3 1 误差的来源1 5 3 3 2 主要误差的校准1 6 3 3 3 行为级仿真结果1 9 第四章模拟电路模块的电路级设计2 1 第一节基准电路的原理和电路设计2 1 4 1 1 基准电路的工作原理2 3 4 1 2 基准电路的电路设计2 4 4 2 3 基准电路的仿真结果2 6 第二节s a r a d c 的原理和电路设计2 9 4 2 1s t i r ( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nr e g i s t e r ) a d c 的工作原理3 0 4 2 2s a r a d c 的系统结构设计3 2 4 2 38 b i ts a ra d c 的电路设计3 6 4 2 4 总体电路的仿真结果4 5 i i i 目录 第三节t e m p d a c 的原理和电路设计4 9 4 3 1t e m p d a c 的原理5 0 4 3 2t e m p d a c 的电路设计5 2 4 3 3 电路仿真5 5 第四节模拟部分的版图设计5 8 第五章数字部分设计6 2 第一节模块说明6 2 第二节设计细节描述6 3 5 2 1 温度段的确定6 4 5 2 1 温度段内的精确扫描6 4 第六章测温电路的整体数模混合仿真结果6 6 第七章结论7 1 致谢7 2 参考文献7 3 附录a ：分段查表测温法的行为级m a t l a b 描述7 5 附录b ：附录a 中调用的几个函数7 7 附录c ：o 7 0 度测温结果扫描程序8 1 附录d ：风华热敏电阻温度特性表8 2 个人简历以及研究生期间参与的科研课题与项目8 3 i v 第一章引言 第一章引言 今天，随着科技的发展，超大规模集成电路成本的不断降低、速度不断加 快，使得更多的功能模块可以用数字的方式来实现。集成电路设计越来越朝着 更高的集成度和实现更复杂系统的方向发展。今天的世界是一个更数字化的世 界，集成电路的发展适应了这一趋势。 用数字技术进行信号处理的典型系统主要由以下过程组成 1 】：模拟输入_ 模 拟系统( 前处理) _ 刖d _ 数字系统_ d a - 模拟系统( 后处理) _ 模拟输出。 其中模拟系统包括放大、滤波、变换等，数字系统包括微处理器( m c u ) 、数字 信号处理器( d s p ) 和各种门电路等，图1 1 为其示意图。 图1 1 数字信号处理的典型系统 本文介绍了一种测温电路的实现方式，它对速度上要求很低，输入的模拟 信号也可视为随时间变化缓慢的常量，是一个最简单的数字信号处理系统。本 文设计的目标是误差能控制在2 的集成测温电路，它将被应用于充电电池的 温度检测中。一般而言高温充电对电池寿命是有害的，所以整个芯片会在电池 温度高于4 5 时让电池停止充电。它是整个无绳电话芯片系统中的一个辅助功 能。 我们首先用m a t l a b 对系统进行了建模，在误差和可行性方面对系统进行了验 第一章引言 证。除了对数字电路代码的编写以外，在模拟电路中我们分别设计了基准电路、 s a r a d c 电路、t e m p d a c 电路。使用tc a d e n c ed e s i g ns y s t e m 和h s i m 来完成电 路的设计、仿真、版图、后仿真以及混合仿真一套设计流程。设计出了一个切 实可行的测温系统。 本文的结构安排如下g 第二章介绍了本文测温系统的基本原理。 第三章在行为级层次介绍了两种不同的测温方法，并根据精度和耗费的资源 进行了对比。对测温系统的误差来源进行了分析，设计了相应的补偿方法。 第四章描述了测温系统中所用到的几个模拟模块基准、s a r d a c 、 t e m p d a c 的电路、版图设计过程。给出了一些重要的仿真结果。 第五章简单介绍了在行为级基础上数字代码的编写要点。 第六章通过对整个测温系统数模混合仿真对系统功能进行了验证，列出了一 些重要的结果。 第七章总结了本设计的主要工作，并得出了相应的结论，然后对本设计今 后的改进工作提出一些建议。 2 第二章测温电路的基本原理 第二章测温电路的基本原理 本设计中所用的对温度敏感的元件为半导体热敏电阻，它的测温范围可以 满足我们的要求，价格相对低廉。利用片外热敏电阻在不同温度下有不同阻值 的特性，用稳恒电流把阻抗的变化转化为电压的变化。通过对电压的测量、量 化、运算处理得出热敏电阻对应的温度。 阻值 图2 1 阻值对温度变化曲线 热敏电阻阻值的公式可以近似表达成式( 2 1 ) 【2 】： 1 1 r ( 丁) = r ( t o ) e x p b ( 素一) 】 ( 2 1 ) 1 0 在这里t o 为参考温度( 一般为2 9 8 k ) ，r ( t o ) 为参考温度下热敏电阻的阻值， b 为描述热敏电阻灵敏度的常数。 考虑到热敏电阻阻值在低温时下降比较快，温度较高时下降较慢。如果电 压直接进入a d c 量化将导致测温时低温分辨率高，高温分辨率低。而且整条曲 线的非线性也比较严重，处理起来很费资源，所以我们要对热敏电阻的温度特 性曲线进行分段处理，在不同温度阻抗条件下改变流过电阻的稳恒电流，把高 温时的阻值差别放大 3 】，如图2 2 所示。 第二章测温电路的基本原理 a d c 量化范围 v 图2 2 热敏电阻在不同温度下的端电压曲线 t 这样可以充分利用a d c ，提高测温电路的相对精度，也可以一定程度上减 小曲线拟合( 第三章详细介绍) 引入的非线性误差。 图2 3 测温电路的原理示意图 4 第二章测温电路的基本原理 图2 4 测温电路的逻辑流程 如图2 3 所示整个测温系统除片外热敏电阻外还包括基准电路、d a c 电路、 8 b i t s a r a d c 以及数字计算控制模块。其中基准模块提供参考电流和参考电压； s a r a d c 对热敏电阻端电压进行量化；d a c 相当于一个受控电流源提供稳定的 受控电流；数字模块主要进行温度段的判断，并在正确的温度段输出一个测量 5 第二章测温电路的基本原理 温度结果；并根据这个结果来判断充电电池的温度，决定是否停止对充电电池 充电。图2 4 描述了数字模块的基本流程。 6 第三章测温电路的行为级设计与仿真 第三章测温电路的行为级设计与仿真 在系统设计之初我们根据模块中的电流源功耗要求，a d c 的输入范围、精 度，测温误差允许范围，分段方案，进行了折中考虑，最后选定了适合我们系 统设计的两款热敏电阻v i s h a y 和风华，它们在常温2 5 下的阻值约为1 0 0 k q 。在这两款热敏电阻中，v i s h a y 的更精确，绝对偏差更小。但风华的更为廉 价，采购起来也比较方便。我们对两款电阻都进行了行为级仿真，也都在数字 设计中预留了选择逻辑。在后面的仿真中如无特殊说明都是指用风华进行仿真 时所得结果。为了方便后面的电路级仿真，用电压模拟温度，编写了v e r i l o g a 热 敏电阻模型，图3 1 即为热敏电阻阻值随输入温度变化而发生变化的曲线。 图3 1 两款热敏电阻的温度特性曲线 观察热敏电阻温度特性曲线的形状，我们留意到曲线是近似服从指数分布 的，所以各个曲线段的d a c 电流以接近二倍的方式增长。 第一节分段曲线拟合方案 顾名思义，拟合法是在温度分段的基础上对分段后的各个段弯曲的电阻曲 线用直线进行了近似处理。在曲线拟合方案中，各段的测量范围分别是：1 5 3 ； 7 的输入电 温度段对 面给出了 它是热敏 t m e a 代 第三章测温电路的行为级设计与仿真 ( 相似部分有所省略) c 弱e7 t i = 1 0 3 5 0 2 枣d o u t ； t m i d = r o u n d ( 10 3 5 0 2 木d o u t ) ； i ft 】【1 1 i d 6 8 d i s p ( s p r i n t f ( ( 7 ) e r r o r , o u to fr a n g e ) ) ； t m e a s = 6 8 ； s u c = i ； e l s e i ft m i d 8 5 t m e a s = t m i d ； s u e - 1 ； e l s e d i s p ( s p r i n t f ( o u to fr a n g e ) ) ； s u c = 1 ； e n d o t h e r w i s e d i s p ( s p r i n t f ( b i ge r r o r ，o u to fr a n g e ) ) ； s u c = l ； e n d e n d 数字设计中乘法运算是比较消耗面积的，所以我们在拟合法的行为级设计 中，对乘法系数有效数字位数进行了控制。七段的系数分别为o 1 5 、o 1 5 、0 1 7 、 0 1 7 、o 1 8 、0 2 、0 2 ，尽量避免了复杂的乘法运算。 9 曲线。 了方便 第三章测温电路的行为级设计与仿真 对比图中还标出了烨的直线。从仿真结果可以发现温度段端点测量误差基本 为零，温度段中间部分误差不超过2 。 第二节分段查表方案 由于分段查表法在运算复杂程度上比拟合法要低( 后面将详细介绍) ，在计 算中可以不受乘法预算复杂程度的限制，把主要精力放在a d c 量化范围的合理 利用上。所以在分段查表设计过程中曲线分为八个温度段，与拟合法相比测温 总体范围有所降低，温度段增加了一段：一9 5 、5 1 5 、1 6 - - - 2 5 、2 6 - - - 3 5 、3 6 - - 4 5 、4 6 - - - 5 5 、5 6 - - 一6 5 、6 6 - - 8 0 ( ) 。对应每段流入电阻的电流如表3 1 所示。 表3 - 1 两种热敏电阻输入电流列表 9 56 1 51 6 2 52 6 3 53 每4 54 6 5 5 5 6 7 66 5 8 0 风华 3 u a6 u a1 0 u a1 7 u a2 6 u a4 0 u a 6 0 u a 8 8 u a s h y3 u a 7 u a1 l u a1 7 u a2 5 u a3 8 u a 5 6 u a 8 0 u a 3 2 1基本原理 分段查表法思路与上面的分段拟合法基本相同，对热敏电阻曲线进行分段 通以相应电流使其适应s a r a d c 的输入范围以及精度限制，区别在于分段后没 有进行曲线拟合，而是用理想的电流电阻值计算出了一条理想的a d c 输出量化 值分段阶梯线，把这些标准值预先写入r o m 中，然后用数字控制逻辑实现测量 值( a d c 的量化值) 与曲线中的阶梯值的比较，取差值最小的温度作为测量温 度的输出值。 i f i l f o r j = 1 ：1 5 d i f = a b s ( d o u t - s t a n d a r d ( j ) ) ； i f ( d i f m i n ) t m i d = j - 1 0 ； m i n = d i f ； e l s e ， e n d 第三章测温电路的行为级设计与仿真 e n d e l s e i fi 一8 f o rj = 7 6 ：9 0 d i f = - a b s ( d o u t s t a n d a r d ( j ) ) ； i f ( d i f m i n ) t m i d = j - 1 0 ； m i n = d i f ； e l s e e n d e n d e l s e i f i 一2 i i 一3 i i = = 4 | i 一5 | i 一6 | i 一7 f o r j = ( ( i - 1 ) 宰1 0 + 1 ) ：1 ：( i 木l o ) ； d i f = a b s ( d o u t - s t a n d a r d ( j ) ) ； i f ( d i f v a ，d 点电压升高，帮助 启动。 我们在电路中设计了p o w e r d o w n 功能，在p d n 输入高电平时整个电路三条 电流境的偏置线分别被短接到了相应的高低电平，实现电路的0 消耗。核心模 块输出了两路偏置电电压，我们通过电流镜缩放倍数可以得到5 u a 为最小单位 的电流。让5 0 u a 的电流流入4 8 k 的电阻在各个节点分别产生2 4 v 、1 6 v 、1 2 v 、 1 v 基准电压。出于版图设计的考虑我们把所有基准内的电阻都进行了分段，大 约2 k q 一段，可以是电阻更好的匹配，也使前仿时充分考虑后仿所遇到的电阻 头问题( 余数电阻超