面向CMOS溫度傳感器的低功耗數(shù)字濾波器設計

趙毅強 ，趙鑫宇 ，何家驥 ，李 堯 ，王帥鵬，耿俊峰

（1. 天津大學微電子學院，天津 300072；2. 天津市成像與感知微電子技術(shù)重點實驗室，天津 300072； 3. 北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

溫度作為與生產(chǎn)生活密切相關的物理量之一，其感知技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療和電力電子等多領域被廣泛應用[1-3]．近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展使得無線低功耗傳感節(jié)點得到了大量普及，基于CMOS工藝的溫度傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)溫度感知節(jié)點的重要元件，應不斷向低功耗方向發(fā)展．CMOS溫度傳感器的核心電路通常由感溫電路、Sigma-Delta 調(diào)制器電路和數(shù)字濾波器電路3部分組成[4]，其中，感溫電路和Sigma-Delta調(diào)制器電路決定了溫度傳感器的精度；數(shù)字濾波器電路則直接影響了溫度傳感器的面積和功耗．因此，設計低功耗數(shù)字濾波器電路是實現(xiàn)低功耗溫度傳感器的關鍵[5]．

低功耗數(shù)字濾波器一直是許多國內(nèi)外學者的研究重點，Kilic等[6]開展了面向射頻接收器的數(shù)字濾波器設計，提出了多種低功耗梳狀濾波器架構(gòu)；Chavan等[7]提出了一種用于調(diào)頻連續(xù)波雷達收發(fā)器的數(shù)字濾波器，由級聯(lián)積分梳狀(cascade integrator comb，CIC)濾波器和半帶濾波器級聯(lián)而成，采用該結(jié)構(gòu)可以有效降低數(shù)字濾波器的功耗；錢澤斌等[8]通過利用靜態(tài)存儲器來存放數(shù)字濾波器系數(shù)，并對多級數(shù)字濾波器進行耦合設計，極大地提高了時鐘利用率，使功耗減小了60%，該濾波器應用于音頻芯片．可以看出，低功耗數(shù)字濾波器的研究主要針對輸入為中高速信號的情況，而對于輸入為低速信號(如溫度等)的情況研究較少．

為了降低溫度傳感器的功耗，本文開展了面向CMOS溫度傳感器的低功耗數(shù)字濾波器設計，完成了遞歸結(jié)構(gòu)CIC濾波器和基于移位加法器的有限脈沖響應(finite impulse response，F(xiàn)IR)濾波器的硬件實現(xiàn)，通過分析濾波器精度與功耗之間的關系，提出了一種可根據(jù)精度需求變化自行調(diào)節(jié)運算單元數(shù)量的數(shù)字濾波器，有效降低了濾波器運行時功耗．此外，針對溫度信號的變化特點，采用一種低功耗工作模式，并對這種工作模式下濾波器的運算方式進行優(yōu)化，使濾波器功耗進一步降低．

1 CMOS溫度傳感器架構(gòu)

本文提出的CMOS溫度傳感器由基于2階調(diào)制器的前端電路和數(shù)字信號處理電路兩部分組成，其架構(gòu)如圖1所示．環(huán)境溫度經(jīng)過基于雙極晶體管(bipolar junction transistor，BJT)測溫原理的感溫電路產(chǎn)生用于比率計算的兩個關鍵電壓Vbe1和Vbe2．2階Sigma-Delta(ΣΔ)調(diào)制器用于將感溫電路產(chǎn)生的模擬電壓量化為帶有溫度信息的數(shù)字比特流．

圖1 CMOS溫度傳感器架構(gòu)Fig.1 Architecture of CMOS temperature sensor

Sigma-Delta調(diào)制器輸出的數(shù)字比特流在未經(jīng)處理情況下并不利于用戶直接獲取溫度信息，一是因為該信號在高頻處存在的大量冗余噪聲會影響信號質(zhì)量；二是因為該信號工作頻率較高，若不進行降采樣處理，將極大增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量[9]．因此，需要在調(diào)制器后設計數(shù)字濾波器電路去解決上述兩個問題．數(shù)字濾波器通常分為單級結(jié)構(gòu)和多級結(jié)構(gòu)，單級結(jié)構(gòu)容易設計，原理簡單，但實現(xiàn)較好性能往往需要較大開銷[10]．為降低電路開銷，本設計選取“CIC+ FIR”這種多級結(jié)構(gòu)．

為了降低由溫度漂移和自熱效應所引入的測溫誤差，在數(shù)字濾波器后設計了溫度校正電路，該電路可以根據(jù)不同溫度區(qū)間內(nèi)測溫誤差的不同進行分段溫度校正，從而提升測溫精度．數(shù)字接口電路通常由通信模塊和功能邏輯模塊組成，通信模塊用于溫度信息讀取和功能邏輯電路的配置，功能邏輯電路則為用戶提供了多種功能選擇，實現(xiàn)了CMOS溫度傳感器的智能化．

2 數(shù)字濾波器電路的硬件實現(xiàn)

2.1 CIC濾波器電路

CIC濾波器是一種特殊的FIR濾波器，其特點是所有濾波器系數(shù)均為1，因此，在硬件實現(xiàn)過程中無需進行任何乘法運算，相比于需要大量運算才能完成濾波的FIR濾波器來說很大程度上降低了硬件開銷，故常作為多級數(shù)字濾波器的第1級[11]．CIC濾波器的傳輸函數(shù)為

式中：M為差分延遲因子，一般設置為1；D為CIC濾波器階數(shù)，通常由Sigma-Delta調(diào)制器的過采樣率決定；Nc為CIC濾波器級數(shù)，通常由Sigma-Delta調(diào)制器的階數(shù)決定，當前級調(diào)制器階數(shù)為L時，為了保證溫度傳感器的測溫精度，CIC濾波器級數(shù)一般需要L＋1級[12]．

假設L＋1為3，3級D階CIC濾波器的一般實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，可以看出信號先經(jīng)過3級積分器，再經(jīng)過3級差分器，最后完成D倍抽?。@種結(jié)構(gòu)往往功耗較高，一是該結(jié)構(gòu)中各部分電路一直工作在一個較高頻率下，二是在每一級差分器實現(xiàn)過 程中都需要D個延遲單元．因此，為降低傳感器功耗，本設計采用一種遞歸型CIC濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，該結(jié)構(gòu)由CIC濾波器一般實現(xiàn)結(jié)構(gòu)經(jīng)Nobel恒等變換而來，通過將差分器和抽取器位置對調(diào)，使信號在經(jīng)過積分器后先經(jīng)過抽取器再經(jīng)過差分器，不僅使差分器工作在較低工作頻率下，也減少了冗余運算和延遲單元的使用．

圖2 CIC濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of CIC filter

2.2 FIR濾波器電路

FIR濾波器是數(shù)字濾波器的重要組成部分，通常級聯(lián)在CIC濾波器后來進一步濾除信號的高頻噪聲，具有系數(shù)對稱、通阻帶邊界易于控制等優(yōu)點[13-14]. 對于Nf階FIR濾波器，其傳輸函數(shù)為

式中h(n)為FIR濾波器系數(shù)．

FIR濾波器在硬件實現(xiàn)過程中應盡可能減少運算單元數(shù)量，以此來限制濾波運算過程中由邏輯翻轉(zhuǎn)所引入的大量功耗．本設計根據(jù)FIR濾波器系數(shù)對稱的特點，通過系數(shù)復用方式將運算單元數(shù)量減少一半．此外，將該結(jié)構(gòu)中乘法器替換為移位加法器，使乘法運算轉(zhuǎn)化為多個加法運算，從而實現(xiàn)進一步節(jié)省運算單元的目的．當Nf為奇數(shù)時，基于移位加法器(shift adder，SA)的Nf階FIR濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，n＝(Nf－1)/2．

圖3 基于SA的FIR濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.3 SA based structure of FIR filter

圖3 中SA(n)單元復雜度直接取決于濾波器系數(shù)h(n)，該系數(shù)量化后的二進制碼中每多有一位是1，則需要額外設計一個移位寄存器和一個加法器. 為了簡化量化后的系數(shù)，使用正則有符號數(shù)(canonic signed digit，CSD)碼來代替普通二進制碼對系數(shù)進行編碼．CSD編碼是一種基于權(quán)值{-10 1}的表示法，在該表示法中，不能有兩個連續(xù)的非零位[15]，如二進制碼01101111，采用CSD碼表示為10010001，可以看出，利用CSD編碼比利用普通二進制編碼具備更少的非零位，特別是系數(shù)中出現(xiàn)連續(xù)1的情況下效果更為突出，將有效地降低硬件資源．

為了驗證所使用數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)的功耗優(yōu)勢，本節(jié)利用PTPX工具對兩種濾波器結(jié)構(gòu)進行了功耗仿真實驗，實驗相關配置如下：濾波器工作電壓為1.62 V，濾波器工作頻率為1 MHz，仿真時間為1 ms．根據(jù)仿真結(jié)果可知，相比于傳統(tǒng)數(shù)字濾波器，本設計所使用的數(shù)字濾波器功耗降低了60.1%，其中，CIC濾波器部分功耗降低了82.5%，F(xiàn)IR濾波器部分功耗降低了10.9%．

3 數(shù)字濾波器電路的低功耗優(yōu)化

3.1 精度自適應的數(shù)字濾波器

在數(shù)字集成電路硬件實現(xiàn)過程中，精度和功耗通常是一對不可兼得的指標，精度的提升往往意味著需要更多的功耗開銷．對于數(shù)字濾波器電路來說，要想實現(xiàn)更好的濾波效果，必將需要更多的運算單元．

通過分析不同數(shù)字濾波器的幅頻響應，可以得到影響數(shù)字濾波器精度的因素．多級CIC濾波器的幅頻響應為

由式(3)可知，CIC濾波器的幅頻響應主要由M、D和Nc3個參數(shù)決定，在本設計中M和D是固定參數(shù)，Nc為可變參數(shù)．通過控制每級CIC濾波器對應的運算單元，可以得到具備不同幅頻響應的CIC濾波器．圖4展示了不同級數(shù)CIC濾波器的幅頻響應．

圖4 不同級數(shù)CIC濾波器的幅頻響應Fig.4 Amplitude-frequency responses of CIC filters with different levels

本設計使用的FIR濾波器系數(shù)是偶對稱的，其幅頻響應為

由式(4)可知，F(xiàn)IR濾波器的幅頻響應主要由h(n)和Nf決定．在已設計的FIR濾波器基礎上，通過對不同h(n)對應的運算單元進行關斷，可以使FIR濾波器具備不同的幅頻響應．圖5展示了利用上述方法設計的不同階數(shù)FIR濾波器的幅頻響應．

由圖4可以看出，CIC濾波器幅頻響應隨Nc改變而改變，由圖5可以看出，F(xiàn)IR濾波器幅頻響應隨Nf改變而改變，基于此，可以通過調(diào)整CIC濾波器級數(shù)和FIR濾波器階數(shù)來獲得不同精度的數(shù)字濾波器.

圖5 不同階數(shù)FIR濾波器的幅頻響應Fig.5 Amplitude-frequency responses of FIR filters with different orders

溫度報警是數(shù)字溫度傳感器中一個常見功能，當實測溫度在用戶設定閾值溫度區(qū)間內(nèi)時，傳感器會給用戶一個警示，以便用戶根據(jù)當前溫度做出相應調(diào)整．一般情況下，用戶會更在意實測溫度是否在閾值溫度區(qū)間內(nèi)，因此，當實測溫度在閾值溫度區(qū)間內(nèi)時，用戶對傳感器精度要求較高，當實測溫度在閾值溫度區(qū)間外時，用戶對傳感器的精度要求就沒有那么嚴格了，若依舊進行高精度溫度監(jiān)測，將引入許多不必要的功耗開銷．針對這一問題，提出一種精度自適應的數(shù)字濾波器，其架構(gòu)如圖6所示，該濾波器可以根據(jù)實測溫度與閾值溫度區(qū)間差值自行調(diào)節(jié)濾波器精度，當濾波器精度要求不高時，精度自適應的數(shù)字濾波器會降低CIC濾波器級數(shù)和FIR濾波器階數(shù)，從而降低濾波所需的運算單元數(shù)量，需要注意的是，該過程只對已有運算單元進行操作，并沒有引入新的運算單元．基于上述原則，完成了精度自適應數(shù)字濾波器的硬件設計，該濾波器可具備4種精度模式，當實測溫度處于閾值溫度區(qū)間內(nèi)時，濾波器具備最高精度，此時稱濾波器處于狀態(tài)A；當實測溫度與閾值溫度區(qū)間的差值小于X1時，濾波器具備次高精度，此時稱濾波器處于狀態(tài)B；當實測溫度與閾值溫度區(qū)間的差值大于X1小于X2時，濾波器具備次低精度，此時稱濾波器處于狀態(tài)C；當實測溫度與閾值溫度區(qū)間的差值大于X2時，濾波器具備最低精度，此時稱濾波器處于狀態(tài)D．其中，X1、X2和閾值溫度區(qū)間均可利用數(shù)字接口進行配置，在默認配置下，X1為5℃，X2為10℃，閾值溫度區(qū)間為0～25℃．

圖6 精度自適應的數(shù)字濾波器架構(gòu)Fig.6 Structure of a precision adaptive digital filter

3.2 低功耗工作模式

在自然界中，溫度通常是變化緩慢的，若溫度傳感器對其進行頻繁監(jiān)測，實際上許多工作是不必要的．針對這一情況，使用了一種低功耗工作模式，在這種工作模式下，溫度監(jiān)測被分為單次溫度轉(zhuǎn)換(single temperature conversion，STC)階段和閑時關斷(idle shutdown，IS)階段，這種低功耗工作模式的工作時序如圖7所示．

圖7中SD信號是優(yōu)先級最高的信號，當SD信號為1時濾波器開始工作，當該信號被拉低為0時，濾波器立即停止工作，所有信號恢復到初始狀態(tài). CR_ctrl信號控制濾波器的工作模式Mode，當CR_ctrl信號為1時，Mode處于STC階段，濾波器完成一次溫度轉(zhuǎn)換；反之，當CR_ctrl信號為0時，Mode處于IS階段，濾波器停止溫度轉(zhuǎn)換．其中，STC階段工作時長取決于數(shù)字濾波器級數(shù)和階數(shù)，為固定參數(shù)；IS階段時長則受數(shù)字接口電路控制，為可配置參數(shù)，該階段時長越長，濾波器平均功耗將 越低．

圖7下半部分為STC階段的FIR濾波器工作時序，在該階段，F(xiàn)IR濾波器需要CIC濾波器提供n個數(shù)據(jù)才能完成的濾波運算，本設計中n等于Nf．在FIR濾波器濾波運算過程中，每有一個輸入數(shù)據(jù)Data_in進入，F(xiàn)IR濾波器就會輸出一個累計和Add_sum，但是，只有n＋1個數(shù)據(jù)均輸入后所得到的Add_sum才是有效輸出，其余的n次運算均為冗余操作．對于這些額外的運算，本設計使用En信號作為數(shù)據(jù)門控信號，關斷A(0)～A(n－1)的運算，只開展A(n)的運算，并將其運算結(jié)果作為最終的數(shù)據(jù)輸出．經(jīng)功耗分析，提出的FIR濾波器優(yōu)化方法使FIR濾波器工作在STC階段時的功耗降低了5.5%．圖8展示了優(yōu)化前后FIR濾波器在STC階段的功耗曲線，其中，圖8(a)為整體功耗曲線，圖8(b)為局部放大功耗曲線．為了更突出展示功耗改變，功耗仿真選用25 MHz時鐘作為濾波器的工作頻率，可以看出優(yōu)化后濾波器功耗尖峰有明顯的減少．

圖7 低功耗工作模式的工作時序Fig.7 Work timing of the low-power mode

圖8 FIR濾波器在STC階段功耗Fig.8 Power consumption of the FIR filter at the STC stage

4 傳感器芯片測試結(jié)果

溫度傳感器采用180 nm CMOS工藝完成流片，圖9為溫度的測試過程，其中，圖9(a)為傳感器芯片顯微照片，圖9(b)為芯片測試平臺．

圖9 溫度傳感器的測試過程Fig.9 Test process of the temperature sensor

為了驗證所設計傳感器的實際測溫效果，將帶有待測傳感器和PT1000的測試板置于愛斯派克超低溫試驗箱ESPEC GMC-71中．在每一個溫度值，使用單片機連續(xù)采集40次待測傳感器的實測溫度，利用高精度萬用表讀取每次單片機采集時的PT1000電阻值作為參考溫度，通過分析40個實測溫度與參考溫度的最大差值，可以得到每個溫度點待測傳感器的測溫精度．經(jīng)測試，在-55～115℃溫度區(qū)間內(nèi)，傳感器具備0.47℃測溫精度，傳感器優(yōu)良的測溫精度也說明數(shù)字濾波器具備不錯的精度特性，圖10展示了實測溫度與測溫誤差絕對值|E|的關系．

圖10 溫度傳感器的精度Fig.10 Precision of the temperature sensor

利用數(shù)字接口電路寫入不同的X1、X2和閾值溫度區(qū)間，在精度自適應的數(shù)字濾波器作用下，傳感器將具備不同的測溫精度．圖11分析了精度自適應數(shù)字濾波器的引入對傳感器測溫精度的影響，4條曲線分別代表了濾波器處于不同工作狀態(tài)時傳感器的測溫精度．

圖11 不同狀態(tài)下溫度傳感器的精度Fig.11 Precision of temperature sensors in different states

圖12 為傳感器數(shù)字部分在低功耗工作模式下的實測功耗曲線，曲線的高值為STC階段功耗，低值為IS階段功耗．在濾波器工作在狀態(tài)A時，STC階段功耗為71.55 μW，IS階段功耗為20.12 μW，平均功耗為20.15 μW．當IS階段時間要求比較嚴格時，精度自適應濾波器的引入將有效降低傳感器數(shù)字部分的平均功耗，經(jīng)測試，傳感器數(shù)字部分處于狀態(tài)D比處于狀態(tài)A功耗降低11.3%．

圖12 溫度傳感器數(shù)字部分的功耗Fig.12 Power consumption of the digital part of the temperature sensor

5 結(jié) 語

本文基于180 nm CMOS工藝開展了面向CMOS溫度傳感器的低功耗數(shù)字濾波器設計，該濾波器采用遞歸型CIC濾波器級聯(lián)基于SA的FIR濾波器的架構(gòu)，相比于傳統(tǒng)濾波器，功耗降低了60.1%．在該架構(gòu)基礎上，根據(jù)溫度傳感器的工作特點，進一步優(yōu)化數(shù)字濾波器功耗．首先，提出一種精度自適應的數(shù)字濾波器，根據(jù)實測溫度與設定閾值溫度區(qū)間差值，調(diào)節(jié)濾波器運算單元數(shù)量，從而控制濾波器的功耗．其次，采用一種低功耗工作模式，將溫度監(jiān)測分為STC階段和IS階段．針對STC階段只完成一次溫度轉(zhuǎn)換的情況，對FIR濾波器冗余運算進行關斷，使FIR濾波器功耗降低5.5%．測試結(jié)果表明，當實測溫度在閾值溫度區(qū)間內(nèi)時，傳感器數(shù)字部分功耗為20.15 μW，在-55～115℃溫 度 區(qū) 間 內(nèi)，精 度 為0.47℃；當實測溫度在閾值溫度區(qū)間外時，傳感器數(shù)字部分功耗最大可下降11.3%．