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CMOS集成温度传感器的研究与设计

张萍  
【摘要】: 科学技术离不开测量,测量的目的就是要获得有关被测对象的物理或化学性质的信息,以便根据这些信息对被测对象进行评价或控制,完成这一功能的器件我们称之为传感器。传感器被广泛应用于工农业生产、科学研究和航空等领域,作为许多应用技术的基础环节,已经成为当今世界发达国家普遍重视并大力发展的高新技术之一。 本论文采用正向设计方法,研究设计了一种基于标准CMOS工艺的集成温度传感器,该温度传感器可用于对环境温度及体温的精确测量,具有体积小、测量范围广、精度高的特点。本文主要研究设计内容包括:温度传感器类型及不同测量方法的研究,Σ-Δ转换技术的研究,温度传感器系统结构的研究设计,温度转换器部分各个功能模块的研究设计,数字滤波器的研究设计等。本文研究设计的温度传感器共由两部分组成:集成温度转换器部分及数字滤波器部分。集成温度转换器部分包括:感温元件、正温度系数电流采集电路、负温度系数电流采集电路、1.2V及0.6V带隙基准源、电压比较器、CMOS开关电路及输出缓冲模块等。数字滤波器部分包括:CMOS异步计数器、D触发器与D锁存器、窄脉冲发生电路等。 本论文运用Cadence工具的Virtuoso软件对研究设计的温度传感器进行电路设计;并用Spectre电路仿真工具对温度转换器的各个模块电路和整体电路进行了仿真验证,所用器件模型参数均采用台积电0.35μmCMOS工艺模型。温度转换器部分工作电压3V,外接50nf电容时工作频率400KHz,最大功耗不超过0.3mW,可测量温度范围从–20℃到60℃,最小精度0.2℃;其中正温度系数电流的温度变化率为0.01439μA/℃,负温度系数电流的温度变化率为0.03775μA/℃;基准输出电压1.2V和0.6V,温度调整率分别为0.001375mV/℃和0.004375mV/℃;带隙基准中的运算放大器开环增益95dB,相位裕度60°,单位增益带宽为8.6MHz,电源抑制比79dB,失调电压278.05μV;电压比较器增益达到76.5dB,频率850KHz时增益开始下降。各性能参数经仿真验证都满足要求。


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