CMOS集成温度传感器研究与设计
发布时间：2023-06-13 21:28
在食品存储、冷链物流、电网温度检测和电子系统温度管理等领域,温度传感器有着广泛的应用。然而,随着系统集成化、低功耗以及低成本需求的持续增加,使得基于特殊材料制造的温度传感器在很多场合难以满足要求。为了解决上述难题,互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)集成温度传感器应运而生,并且因其低功耗、低成本和微型化等优点而迅速得到了工业界和学术界的青睐。CMOS集成温度传感器主要分为两大类:电压域和时域。电压域温度传感器采用随温度变化的电压信号表征温度信息,具有高精度与高分辨率等优点。由于模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)是该类温度传感器的重要组成部分,所以设计难度大并且具有功耗和芯片面积较大等缺点。时域温度传感器是一种基于温度敏感频率或者延迟时间的温度传感器。该温度传感器采用频率数字转换器或者时间数字转换器完成温度信号的数字化,使温度传感器可以以全数字的方式实现,有效降低了设计难度、功耗和芯片面积。然而,由于传统的时域感温电路受电源电压和非线性等非理想因素的影响具有较大的测温误差...
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
1.2 CMOS温度传感器研究现状
1.3 本文主要贡献及创新
1.4 论文的结构安排
第2章 CMOS工艺物理特性的研究
2.1 BJT物理特性
2.1.1 BJT的 I-V模型
2.1.2 BJT温度特性
2.1.3 标准CMOS工艺中的BJT
2.1.4 工艺偏差
2.1.5 机械压力灵敏度
2.1.6 串联电阻和基极宽度调制
2.1.7 偏置电流变化的影响
2.2 MOS管物理特性
2.2.1 MOS晶体管的I-V模型
2.2.2 MOS晶体管温度特性
2.2.3 工艺偏差
2.2.4 机械应力灵敏度
2.3 电阻物理特性
2.3.1 标准CMOS工艺中的电阻
2.3.2 电阻的温度特性
2.3.3 电阻的工艺偏差
2.3.4 机械应力导致的电阻变化
2.4 本章小结
第3章 CMOS集成温度传感器基本原理
3.1 CMOS集成温度传感器的方案
3.1.1 电压域集成温度传感器
3.1.2 时域温度传感器
3.2 CMOS集成温度传感器校准
3.2.1 校准定义
3.2.2 传统的校准方案
3.2.3 批量校准
3.3 CMOS集成温度传感器的性能指标
3.3.1 分辨率
3.3.2 测温误差
3.3.3 功耗、面积和转换速率
3.3.4 CMOS温度传感器预设指标
3.4 本章小结
第4章 应用于芯片温度监控的时域温度传感器分析与设计
4.1 基于环形振荡器的温度传感器系统架构和测温原理
4.2 电路设计与分析
4.2.1 CTAT电压产生器
4.2.2 参考缓冲器
4.2.3 电平转换单元
4.2.4 读出电路
4.2.5 参考时钟的影响
4.2.6 电源电压变化的分析与抑制
4.2.7 电路噪声的分析与抑制
4.3 基于环形振荡器的时域温度传感器测试
4.4 本章小结
第5章 高精度电压域温度传感器分析与设计
5.1 工作原理
5.1.1 温度测量原理
5.1.2 读出电路原理
5.2 误差源
5.2.1 感温电路误差分析
5.2.2 读出电路误差分析
5.3 基于BJT前端感温电路分析与设计
5.3.1 电流增益不敏感的精密偏置电路
5.3.2 动态匹配的核心感温电路
5.3.3 单位增益缓冲器
5.3.4 噪声分析
5.3.5 基于BJT感温电路仿真
5.4 低功耗ZOOM ADC电路分析与设计
5.4.1 系统级设计
5.4.2 ZOOM ADC电路实现
5.4.3 ZOOM ADC电路仿真
5.5 高精度CMOS温度传感器测试
5.6 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 工作展望
参考文献
攻读博士学位期间科研成果
致谢
本文编号：3833328
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
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摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
1.2 CMOS温度传感器研究现状
1.3 本文主要贡献及创新
1.4 论文的结构安排
第2章 CMOS工艺物理特性的研究
2.1 BJT物理特性
2.1.1 BJT的 I-V模型
2.1.2 BJT温度特性
2.1.3 标准CMOS工艺中的BJT
2.1.4 工艺偏差
2.1.5 机械压力灵敏度
2.1.6 串联电阻和基极宽度调制
2.1.7 偏置电流变化的影响
2.2 MOS管物理特性
2.2.1 MOS晶体管的I-V模型
2.2.2 MOS晶体管温度特性
2.2.3 工艺偏差
2.2.4 机械应力灵敏度
2.3 电阻物理特性
2.3.1 标准CMOS工艺中的电阻
2.3.2 电阻的温度特性
2.3.3 电阻的工艺偏差
2.3.4 机械应力导致的电阻变化
2.4 本章小结
第3章 CMOS集成温度传感器基本原理
3.1 CMOS集成温度传感器的方案
3.1.1 电压域集成温度传感器
3.1.2 时域温度传感器
3.2 CMOS集成温度传感器校准
3.2.1 校准定义
3.2.2 传统的校准方案
3.2.3 批量校准
3.3 CMOS集成温度传感器的性能指标
3.3.1 分辨率
3.3.2 测温误差
3.3.3 功耗、面积和转换速率
3.3.4 CMOS温度传感器预设指标
3.4 本章小结
第4章 应用于芯片温度监控的时域温度传感器分析与设计
4.1 基于环形振荡器的温度传感器系统架构和测温原理
4.2 电路设计与分析
4.2.1 CTAT电压产生器
4.2.2 参考缓冲器
4.2.3 电平转换单元
4.2.4 读出电路
4.2.5 参考时钟的影响
4.2.6 电源电压变化的分析与抑制
4.2.7 电路噪声的分析与抑制
4.3 基于环形振荡器的时域温度传感器测试
4.4 本章小结
第5章 高精度电压域温度传感器分析与设计
5.1 工作原理
5.1.1 温度测量原理
5.1.2 读出电路原理
5.2 误差源
5.2.1 感温电路误差分析
5.2.2 读出电路误差分析
5.3 基于BJT前端感温电路分析与设计
5.3.1 电流增益不敏感的精密偏置电路
5.3.2 动态匹配的核心感温电路
5.3.3 单位增益缓冲器
5.3.4 噪声分析
5.3.5 基于BJT感温电路仿真
5.4 低功耗ZOOM ADC电路分析与设计
5.4.1 系统级设计
5.4.2 ZOOM ADC电路实现
5.4.3 ZOOM ADC电路仿真
5.5 高精度CMOS温度传感器测试
5.6 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 工作展望
参考文献
攻读博士学位期间科研成果
致谢
本文编号：3833328
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