實(shí)現(xiàn)工藝誤差校準(zhǔn)的脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器*

李 蕾， 南敬昌， 李 鋒

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

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實(shí)現(xiàn)工藝誤差校準(zhǔn)的脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器*

李 蕾， 南敬昌， 李 鋒

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

設(shè)計(jì)了一種脈沖寬度調(diào)制結(jié)構(gòu)的溫度傳感器。采用了環(huán)形延遲陣列替代傳統(tǒng)冗長(zhǎng)的延遲陣列。針對(duì)該類型溫度傳感器精度較低的問(wèn)題，分析了傳感器工藝誤差產(chǎn)生原理，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)誤差校準(zhǔn)電路。校準(zhǔn)電路功能采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)驗(yàn)證，結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能。采用SMIC 0.18 CMOS工藝對(duì)溫度傳感器電路進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：溫度傳感器溫度范圍為-20～60 ℃時(shí)，分辨率為1 ℃/LSB。

溫度傳感器； 脈沖寬度調(diào)制； 誤差校準(zhǔn)； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

0 引 言

伴隨物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，使得溫度傳感器與其他產(chǎn)品廣泛結(jié)合[1]。也對(duì)溫度傳感器提出了低功耗、低成本、高便攜性、方便與其他應(yīng)用一體集成的要求，因此,研究基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的溫度傳感器技術(shù)具有重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝溫度傳感器芯片的研究已經(jīng)取得了諸多成果。已發(fā)表的溫度傳感器芯片根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理可主要分為：模/數(shù)轉(zhuǎn)換溫度傳感器[2～4]，頻率調(diào)制溫度傳感器[5～7]及脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器[8～11]。

在三種類型的溫度傳感器中，模/數(shù)轉(zhuǎn)換溫度傳感器研究起步早，主要采用雙極結(jié)型晶體管(BJT)發(fā)射結(jié)電壓實(shí)現(xiàn)溫度信息采集，采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)實(shí)現(xiàn)溫度信息到數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換。該種傳感器最大的優(yōu)勢(shì)在于輸出精度高，然而功耗高、芯片面積大也為其應(yīng)用帶來(lái)局限性[2～4]。

頻率調(diào)制溫度傳感器與脈沖調(diào)制溫度傳感器多應(yīng)用于片上系統(tǒng)(system on chip,SoC)的溫度監(jiān)控及無(wú)源傳感節(jié)點(diǎn)，該兩種傳感器的平均功耗與平均芯片面積較小，其中,頻率調(diào)制溫度傳感器的精度較低[5,6]。脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器利用MOS晶體管實(shí)現(xiàn)溫度感知，由其構(gòu)建延遲鏈路，利用傳輸延遲時(shí)間與溫度的相關(guān)性完成溫度對(duì)脈沖寬度的調(diào)制，其精度優(yōu)于頻率調(diào)制溫度傳感器[7～9]。

在三種類型的溫度傳感器中，脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器因功耗低、芯片面積小、精度適中，更符合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用要求。而且電路結(jié)構(gòu)可以同時(shí)采用數(shù)字工藝[7,8]和模擬工藝[9,13]實(shí)現(xiàn)，方便與其他應(yīng)用集成在同一芯片中,因此,更適合在物聯(lián)網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用。然而，就應(yīng)用指標(biāo)而言,該溫度傳感器的精度較低，限制其向更高端、更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。保持脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器在功耗和面積方面優(yōu)勢(shì)的同時(shí)提高傳感器的精度成為亟待解決的問(wèn)題。

脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器的傳輸延遲時(shí)間不僅與溫度相關(guān)，還與工藝參數(shù)相關(guān)，受該類型溫度傳感器結(jié)構(gòu)的限制，工藝誤差對(duì)延遲時(shí)間產(chǎn)生的影響不可忽略，進(jìn)而影響到傳感器的輸出精度。消除或補(bǔ)償工藝誤差對(duì)脈沖寬度產(chǎn)生的影響是提高傳感器精度的有效解決辦法。

本文分析了脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器工藝誤差產(chǎn)生的原理，提出了工藝誤差校準(zhǔn)方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了誤差校準(zhǔn)電路，并設(shè)計(jì)了帶有校準(zhǔn)電路的溫度傳感器。對(duì)校準(zhǔn)電路采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)進(jìn)行驗(yàn)證，采用SMIC 0.18 CMOS工藝對(duì)溫度傳感器整體電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

1 溫度傳感器校準(zhǔn)原理

脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器產(chǎn)生寬度與溫度相關(guān)的脈沖，將脈沖轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度傳感器功能。其中，脈沖產(chǎn)生電路主要由延遲陣列構(gòu)成，脈沖通過(guò)該陣列的延遲時(shí)間可以表示為

(1)

式中μ為電子遷移率，Vth為閾值電壓，COX為柵氧化層電容等，這些工藝參數(shù)均與溫度相關(guān)，因此，延遲時(shí)間與溫度相關(guān)，而由延遲產(chǎn)生的脈沖寬度也與溫度相關(guān)。為使輸出分辨率滿足要求，需設(shè)計(jì)足夠長(zhǎng)度的延遲單元以累積脈沖寬度。工藝參數(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中受工藝影響產(chǎn)生誤差，經(jīng)過(guò)延遲單元累積后工藝誤差對(duì)延遲時(shí)間的影響不可忽略，傳感器的輸出精度也受到影響。因此，消除補(bǔ)償工藝誤差對(duì)脈沖寬度產(chǎn)生的影響，可以提高脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器的精度。

分析脈沖經(jīng)過(guò)延遲陣列產(chǎn)生的延遲時(shí)間，其中電子遷移率、閾值電壓與溫度的關(guān)系可表示為

(2)

VT=VT0-αVT(T-T0)

(3)

式中 n型硅和p型硅的αu值分別為-2.4和-2.2[11，12]，將式(2)代入式(1)得到

(4)

式中f(T)，PR分別為

f(T)=(T)αu

(5)

(6)

在PR所包含的工藝參數(shù)中，COX與溫度無(wú)關(guān)，根據(jù)式(2)、式(3)，相比于電子遷移率μ，Vth與溫度的相關(guān)性較弱，但是該部分參數(shù)的工藝誤差卻影響延遲時(shí)間的精度，因此,如果通過(guò)電路設(shè)計(jì)抵消該部分參數(shù)，可以有效提高精度。

2 溫度傳感器電路模塊設(shè)計(jì)

帶校準(zhǔn)電路的溫度傳感器整體電路如圖1所示，電路主要由脈沖產(chǎn)生電路，脈沖寬度控制電路，時(shí)間/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路三部分產(chǎn)生。其中,脈沖產(chǎn)生電路生成與溫度相關(guān)的脈沖，脈沖寬度控制電路實(shí)現(xiàn)脈沖工藝誤差校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的脈沖傳輸至?xí)r間/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出結(jié)果。

圖1 溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure diagram of temperature sensor system

脈沖產(chǎn)生電路由延遲陣列組成，為達(dá)到最小分辨率，延遲陣列采用大量的延遲單元級(jí)聯(lián)，電路結(jié)構(gòu)冗余復(fù)雜，且延遲時(shí)間固定不能根據(jù)實(shí)際指標(biāo)調(diào)節(jié)。為解決該問(wèn)題，采用環(huán)形延遲陣列，如圖2，該結(jié)構(gòu)延遲陣列減少延遲單元數(shù)量，精簡(jiǎn)傳感器整體電路結(jié)構(gòu)，且可以針對(duì)固定數(shù)量的延遲單元循環(huán)傳輸實(shí)現(xiàn)延遲，循環(huán)次數(shù)可調(diào)節(jié)，能夠滿足不同的指標(biāo)要求。該延遲陣列輸出脈沖的周期可表示為TO[13]

TO=2kTP

(7)

式中 TP為經(jīng)過(guò)每個(gè)延遲單元的延遲時(shí)間。

圖2 循環(huán)延遲陣列示意圖Fig 2 Diagram of cyclic delay array

脈沖寬度控制電路具體電路如圖3，延遲陣列輸出TO作為脈沖寬度控制電路的時(shí)鐘，置數(shù)計(jì)數(shù)器的預(yù)先置數(shù)為N，則控制電路輸出TC可表示為

TC=N×TO=2kNTP

(8)

圖3 脈沖寬度控制電路Fig 3 Pulse width control circuit

經(jīng)過(guò)時(shí)間/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路后輸出的數(shù)字結(jié)果可以表示為

(9)

式中 TCLK為電路的基準(zhǔn)時(shí)鐘。根據(jù)式(3)描述，延遲時(shí)間可以化簡(jiǎn)為溫度強(qiáng)相關(guān)工藝參數(shù)與溫度弱相關(guān)工藝參數(shù)的乘積，將式(3)代入式(8)得到

(10)

假設(shè)待校驗(yàn)芯片i，在已知測(cè)試溫度T0時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出為Dout0，則有

(11)

脈沖長(zhǎng)度控制電路中計(jì)數(shù)電路中的置數(shù)N可以表示為

(12)

以此類推，在測(cè)試溫度T1時(shí)，芯片的數(shù)字輸出Dout1可以表示為

(13)

將N的表達(dá)式代入其中得到

(14)

由上一節(jié)分析可知，PR是與溫度弱相關(guān)的工藝參數(shù)，在測(cè)試溫度T1的數(shù)字輸出結(jié)果中被抵消掉，該校驗(yàn)電路可以抵消部分工藝參數(shù)，減少工藝誤差對(duì)溫度傳感器輸出結(jié)果的影響。

3 溫度傳感器仿真結(jié)果

對(duì)溫度傳感器的各模塊電路進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。首先，對(duì)脈沖產(chǎn)生電路循環(huán)延遲陣列進(jìn)行仿真，溫度在-20～60 ℃之間，采用單個(gè)脈沖作為輸入，脈沖產(chǎn)生電路的輸出隨溫度變化情況如圖4，伴隨溫度升高脈沖寬度減小。

圖4 脈沖寬度隨溫度變化結(jié)果Fig 4 Pulse width variation with temperature

溫度傳感器校準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需高端FPGA，設(shè)計(jì)采用CycloneIVEP4CE6E22C8N實(shí)現(xiàn)。校驗(yàn)電路仿真結(jié)果如圖5，分別將校驗(yàn)電路中置數(shù)計(jì)數(shù)器的值隨機(jī)設(shè)為十六進(jìn)制數(shù)H04,H07，START信號(hào)高電平有效，TO上升降邊沿有效，START信號(hào)有效后，在TO對(duì)應(yīng)的第一個(gè)上升邊沿TC變?yōu)楦唠娖?，?dāng)計(jì)數(shù)器中數(shù)值被清零后，TC重新變?yōu)榈碗娖?，由結(jié)果可知TC=N×TO，符合設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)校準(zhǔn)功能。

圖5 脈沖寬度控制電路輸出結(jié)果Fig 5 Output result of pulse width control circuit

該脈沖經(jīng)時(shí)間/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后，不同溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出結(jié)果如圖6?？梢钥闯?傳感器的數(shù)字輸出結(jié)果隨溫度升高而減小，且具有良好的線性度。

圖6 傳感器輸出結(jié)果Fig 6 Output result of sensor

根據(jù)計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果計(jì)算傳感器有效分辨率為

(15)

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)一種脈沖寬度調(diào)制溫度傳感器，分析了傳感器工藝誤差產(chǎn)生的原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了脈沖控制電路作為校準(zhǔn)電路，抵消部分參數(shù)的工藝誤差。采用FPGA對(duì)校準(zhǔn)電路進(jìn)行分析，分析結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。采用SMIC0.18CMOS工藝對(duì)溫度傳感器電路進(jìn)行仿真，溫度傳感器溫度范圍為-20～60 ℃時(shí)，分辨率為1 ℃/LSB。

[1] 韓月霞,李雄偉,張 陽(yáng),等.基于物聯(lián)網(wǎng)的物流車載終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(5):69-71.

[2]SouriKamran,ChaeYoungcheol,MakinwaKofiAA.ACMOStemperaturesensorwithavoltage-calibratedinaccuracyof±0.15 ℃ (3σ)from-55 ℃to125 ℃[C]∥ProceedingsoftheISSCC,2012:208-210.

[3]AitaAndrL,PertijsMAP,MakinwaKofiAA,etal.Low-powerCMOSsmarttemperaturesensorwithabatch-calibratedinaccuracyof±0.25 ℃ (±3σ)from-70 ℃to130 ℃ [J].IEEESensorsJournal,2013,13(5):1840-1848.

[4]SouriKamran,ChaeYoungcheol,MakinwaKofiAA.ACMOStemperaturesensorwithavoltage-calibratedinaccuracyof0.15 ℃(3σ)from55 ℃to125 ℃[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2013,48(1):1-9.[5] Hwang Sewook,Koo Jabeom,Kim Kisoo,et al.A 0.008 mm 500 469 ks frequency-to-digital converter based CMOS temperature sensor with process variation compensation[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-I:Regular Papers,2013,60(9):2241-2249.

[6] 吳 翔,鄧芳明,何怡剛,等.應(yīng)用于RFID的超低功耗CMOS溫度傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(2):106-112.

[7] Law Man Kay,Bermak Amine,Luong Howard C.A sub-W embedded CMOS temperature sensor for RFID food monitoring application[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2010,45(6):1246-1255.

[8] Chen Chunchi,Chen Haowen.A low-cost CMOS smart temperature sensorusing a thermal-sensing and pulse-shrinking delay line[J].IEEE Sensors Journal,2014,14(1):278-284.

[9] 李 蕾,謝 生,黃曉綜,等.應(yīng)用于無(wú)源RFID標(biāo)簽的CMOS溫度傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(8):1098-1101

[10] 李 蕾,毛陸虹,黃曉綜,等.基于CMOS遷移率及閾值電壓特性的溫度傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(5):102-104.

[11] Tsividis Y P,Colin McAndrew.Operation and modeling of the MOS transistor[M].New York:McGraw-Hill,1994.

[12] Laker K R,Willy M C Sansen.Design of analog integrated circuits and systems[M].New York:McGraw-Hill,1994.

[13] Chen Poki,Chen Shou-Chih,Shen Yousheng,et al.All-digital time-domain smart temperature sensor with an inter-batch inaccuracy of -0.7 ℃～+0.6℃ after one-point calibration[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems—I:Regular Papers,2011,58(5):913-920.

Pulse width modulated temperature sensor with process error calibration circuit*

LI Lei, NAN Jing-chang, LI Feng

(School of Electronic and Information Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

A kind of pulse width modulation temperature sensor is designed.Instead of conventional long delay array,a cyclic delay array is used.To improve precision of temperature sensor,a process error calibration is proposed,on the basis of analyzing the generation principle of process error.The error calibration circuit is implemented by FPGA.The verification results show that the calibration function can be realized and the results can meet the requirements. The circuit is fabricated by SMIC 0.18 CMOS standard process,the simulation results indicate that the temperature senor achieves a resolution of 1℃/LSB at range of -20～60℃.

temperature sensor; pulse width modulation; error calibration; field programmable gate array(FPGA)

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0082—03

2016—10—08

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究一般項(xiàng)目(L2014130)

TN 432

A

1000—9787(2016)12—0082—03

李 蕾(1981-)，女,蒙古族，吉林省遼源人，博士，講師，從事射頻集成電路設(shè)計(jì)工作。