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高分辨率CMOS温度传感器的研究与设计

高分辨率CMOS温度传感器的研究与设计

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作者：廖轰天津大学

学位级别：硕士

随着物联网、无线体域网等技术的发展,移动终端设备对低功耗、小体积的需求愈发强烈。频率源电路是物联网终端系统中不可或缺的一部分,而传统石英晶体振荡器是限制物联网终端小型化的瓶颈之一。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Res... 详细信息

随着物联网、无线体域网等技术的发展,移动终端设备对低功耗、小体积的需求愈发强烈。频率源电路是物联网终端系统中不可或缺的一部分,而传统石英晶体振荡器是限制物联网终端小型化的瓶颈之一。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,fbar)具有谐振频率高、品质因数高、体积小和易与CMOS工艺兼容等优点,能够为物联网终端的低功耗和小体积提供支撑。然而,随着环境温度变化,fbar的谐振频率易产生较大偏移,故需要对其进行温度补偿以满足物联网终端中频率基准的稳定性要求。本文研究并设计一款应用于fbar频率源系统的高分辨率CMOS温度传感器。主要工作和创新点如下:(1)设计了一种文式电桥(Wien-Bridge,WB)测温前端,该电路由硅化多晶电阻和MIM电容组成,能够将温度信息转化相应的相移信息,从而能够有效提高测温分辨率和精度,并有效减小工艺偏差和电源电压的影响;(2)设计了一种连续时间相位域Delta-Sigma调制器,该调制器采用二阶前馈结构降低电路设计难度和系统功耗,同时采用了系统级斩波技术,减小了调制器内运放的失调电压和闪烁噪声等非理想因素的影响,提高了带内信噪比和测温分辨率。(3)提出并设计了一种高线性度运算跨导放大器,该放大器利用亚阈值区晶体管的指数I-V特性和添加特定阻值的尾电阻,消除了输出电流的三次谐波(HD3),从而实现了较高的信噪失真比。本文采用0.18-μm标准CMOS工艺,完成了温度传感器原理图和版图设计并进行了流片。后仿真结果表明:在-40℃～85℃的温度范围内温度误差小于±0.5℃,转化时间为10.24ms时测温分辨率为9.3mK;测试结果表明:转化时间为10.24ms时测温分辨率为14.9mK。

关键词： fbar振荡器 CMOS温度传感器文式电桥 Delta-Sigma调制器

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