高性能低成本CMOS温度传感器研究

CMOS温度传感器因其体积小、易于集成、成本低,而且可直接输出数字信号等优点,广泛用于各类片上系统、工业物联网以及无线传感网络等应用场景。然而不同的具体应用场景对CMOS温度传感器的设计也提出了相应的挑战。如片上系统里的实时时钟校准应用需要高精度的温度传感器;而片上热管理应用强调超小面积以及低电压工作;各类物联网应用则对其功耗提出了苛刻的要求;此外,进一步降低温度传感器在量产中的校准成本也有重要的应用价值。针对上述难点和挑战,本文结合具体的应用场景,按照温度读出电路所处理的不同信号域,开展系统性的CMOS温度传感器研究,先后共完成7款高性能、低成本CMOS温度传感器研制。论文主要的工作和创新点如下:1.电压和电流域读出CMOS温度传感器研究:(1)本文首次分析了带电流增益补偿技术的BJT温度传感器前端电路中存在的多个简并点的问题,提出新型低成本启动电路,保证了电路鲁棒性;(2)结合用于电能计量MCU中RTC校准的应用场景,本文提出新型数字辅助线性化的系统方案,在满足高精度测温需求的同时,兼容多通道复用读出接口,减小了系统设计成本;(3)基于以上创新点,并采用动态元件匹配、电流增益补偿和斩波稳定等技术,本文在标准0.13-μm CMOS工艺下设计了一款兼容性强、精度高的CMOS温度传感器,可实现在-40?C到125?C的温度范围内,一点校准后实测误差仅为±0.47?C(3σ)。(4)针对CMOS温度传感器在先进工艺下设计难度大、在工业应用中校准难等挑战,本文提出了适用于电流域温度读出方案的新型动态电流增益抵消技术,在不增加额外功耗、面积等成本的情况下,提升了测温精度;(5)基于以上技术,本文在标准55-nm CMOS工艺下设计了一款免校准电流域读出CMOS温度传感器,在-40?C到125?C的温度范围内不校准的实测误差为±1.7?C(3σ),芯片面积仅为0.0146 mm~2。2.时域和频域读出CMOS温度传感器研究:(1)本文针对现有占空比调制输出的CMOS温度传感器面积大、工作电压高等问题,提出了新型电容复用电压-占空比转换器,同等条件下减小50%的电容面积,并提升了转换精度;(2)利用所提出的电容复用电压-占空比转换器,本文在标准0.13-μm CMOS工艺下设计了两款高性能低成本CMOS温度传感器。所设计的BJT型传感器可在-10?C到100?C范围内,一点校准后误差仅为±0.38?C(3σ),芯片面积仅为0.073 mm~2。而采用动态偏置电阻前端的传感器则支持1 V以下的供电电压,芯片面积仅为0.025 mm~2。(3)本文结合BJT模拟前端和基于环形振荡器的频域读出接口,提出了两步动态范围优化的技术,在标准0.13-μm CMOS工艺下实现了一款支持75 kSa/s转换速率的CMOS温度传感器。3.全数字CMOS温度传感器研究:(1)本文提出基于亚阈值漏电的全数字小面积CMOS温度传感器架构,该设计自带电源波动抑制能力,解决了传统基于环形振荡器的读出架构对电源波动敏感的问题。(2)基于该架构,本文在SMIC 55-nm CMOS工艺实现了一款全数字CMOS温度传感器,该设计核心面积仅为1770μm~2,可在0.8 V到1.3 V的宽供电电压范围内正常工作;在-40?C到125?C范围内,两点校准后的误差仅为±0.7?C(3σ);(3)在上述研究基础上,提出了功耗更低、鲁棒性更强的延时单元结构,并设计了兼容性更强的频率-数字转换器;该设计在UMC 55-nm CMOS工艺进一步流片验证。实测结果显示,改进后的温度传感器在保持小面积(2454μm~2)的同时,实现了更低功耗(0.86μW)和更高能量效率(0.26 pJ·K~2),与现有国际同类高水平设计相比,更具先进性。