實現工藝誤差校準的脈沖寬度調制溫度傳感器*

李 蕾， 南敬昌， 李 鋒

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

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實現工藝誤差校準的脈沖寬度調制溫度傳感器*

李 蕾， 南敬昌， 李 鋒

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

設計了一種脈沖寬度調制結構的溫度傳感器。采用了環形延遲陣列替代傳統冗長的延遲陣列。針對該類型溫度傳感器精度較低的問題，分析了傳感器工藝誤差產生原理，在此基礎上，設計誤差校準電路。校準電路功能采用現場可編程門陣列(FPGA)驗證，結果表明符合設計要求，可實現校準功能。采用SMIC 0.18 CMOS工藝對溫度傳感器電路進行仿真，結果表明：溫度傳感器溫度范圍為-20～60 ℃時，分辨率為1 ℃/LSB。

溫度傳感器； 脈沖寬度調制； 誤差校準； 現場可編程門陣列

0 引 言

伴隨物聯網的發展，智能產品不斷涌現，使得溫度傳感器與其他產品廣泛結合[1]。也對溫度傳感器提出了低功耗、低成本、高便攜性、方便與其他應用一體集成的要求，因此,研究基于標準CMOS工藝的溫度傳感器技術具有重要的意義。

目前國內外對于標準CMOS工藝溫度傳感器芯片的研究已經取得了諸多成果。已發表的溫度傳感器芯片根據實現原理可主要分為：模/數轉換溫度傳感器[2～4]，頻率調制溫度傳感器[5～7]及脈沖寬度調制溫度傳感器[8～11]。

在三種類型的溫度傳感器中，模/數轉換溫度傳感器研究起步早，主要采用雙極結型晶體管(BJT)發射結電壓實現溫度信息采集，采用模/數轉換器(ADC)實現溫度信息到數字輸出的轉換。該種傳感器最大的優勢在于輸出精度高，然而功耗高、芯片面積大也為其應用帶來局限性[2～4]。

頻率調制溫度傳感器與脈沖調制溫度傳感器多應用于片上系統(system on chip,SoC)的溫度監控及無源傳感節點，該兩種傳感器的平均功耗與平均芯片面積較小，其中,頻率調制溫度傳感器的精度較低[5,6]。脈沖寬度調制溫度傳感器利用MOS晶體管實現溫度感知，由其構建延遲鏈路，利用傳輸延遲時間與溫度的相關性完成溫度對脈沖寬度的調制，其精度優于頻率調制溫度傳感器[7～9]。

在三種類型的溫度傳感器中，脈沖寬度調制溫度傳感器因功耗低、芯片面積小、精度適中，更符合物聯網的應用要求。而且電路結構可以同時采用數字工藝[7,8]和模擬工藝[9,13]實現，方便與其他應用集成在同一芯片中,因此,更適合在物聯網中大規模應用。然而，就應用指標而言,該溫度傳感器的精度較低，限制其向更高端、更廣闊的應用領域發展。保持脈沖寬度調制溫度傳感器在功耗和面積方面優勢的同時提高傳感器的精度成為亟待解決的問題。

脈沖寬度調制溫度傳感器的傳輸延遲時間不僅與溫度相關，還與工藝參數相關，受該類型溫度傳感器結構的限制，工藝誤差對延遲時間產生的影響不可忽略，進而影響到傳感器的輸出精度。消除或補償工藝誤差對脈沖寬度產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制溫度傳感器工藝誤差產生的原理，提出了工藝誤差校準方法，在此基礎上設計了誤差校準電路，并設計了帶有校準電路的溫度傳感器。對校準電路采用現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)進行驗證，采用SMIC 0.18 CMOS工藝對溫度傳感器整體電路進行仿真，驗證了設計的正確性。

1 溫度傳感器校準原理

脈沖寬度調制溫度傳感器產生寬度與溫度相關的脈沖，將脈沖轉換成為數字信號，實現溫度傳感器功能。其中，脈沖產生電路主要由延遲陣列構成，脈沖通過該陣列的延遲時間可以表示為

(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，這些工藝參數均與溫度相關，因此，延遲時間與溫度相關，而由延遲產生的脈沖寬度也與溫度相關。為使輸出分辨率滿足要求，需設計足夠長度的延遲單元以累積脈沖寬度。工藝參數在生產過程中受工藝影響產生誤差，經過延遲單元累積后工藝誤差對延遲時間的影響不可忽略，傳感器的輸出精度也受到影響。因此，消除補償工藝誤差對脈沖寬度產生的影響，可以提高脈沖寬度調制溫度傳感器的精度。

分析脈沖經過延遲陣列產生的延遲時間，其中電子遷移率、閾值電壓與溫度的關系可表示為

(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所包含的工藝參數中，COX與溫度無關，根據式(2)、式(3)，相比于電子遷移率μ，Vth與溫度的相關性較弱，但是該部分參數的工藝誤差卻影響延遲時間的精度，因此,如果通過電路設計抵消該部分參數，可以有效提高精度。

2 溫度傳感器電路模塊設計

帶校準電路的溫度傳感器整體電路如圖1所示，電路主要由脈沖產生電路，脈沖寬度控制電路，時間/數字轉換電路三部分產生。其中,脈沖產生電路生成與溫度相關的脈沖，脈沖寬度控制電路實現脈沖工藝誤差校準，校準后的脈沖傳輸至時間/數字轉換電路轉換為數字輸出結果。

圖1 溫度傳感器系統結構Fig 1 Structure diagram of temperature sensor system

脈沖產生電路由延遲陣列組成，為達到最小分辨率，延遲陣列采用大量的延遲單元級聯，電路結構冗余復雜，且延遲時間固定不能根據實際指標調節。為解決該問題，采用環形延遲陣列，如圖2，該結構延遲陣列減少延遲單元數量，精簡傳感器整體電路結構，且可以針對固定數量的延遲單元循環傳輸實現延遲，循環次數可調節，能夠滿足不同的指標要求。該延遲陣列輸出脈沖的周期可表示為TO[13]

TO=2kTP

(7)

式中 TP為經過每個延遲單元的延遲時間。

圖2 循環延遲陣列示意圖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鐘，置數計數器的預先置數為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

經過時間/數字轉換電路后輸出的數字結果可以表示為

(9)

式中 TCLK為電路的基準時鐘。根據式(3)描述，延遲時間可以化簡為溫度強相關工藝參數與溫度弱相關工藝參數的乘積，將式(3)代入式(8)得到

(10)

假設待校驗芯片i，在已知測試溫度T0時，對應的數字輸出為Dout0，則有

(11)

脈沖長度控制電路中計數電路中的置數N可以表示為

(12)

以此類推，在測試溫度T1時，芯片的數字輸出Dout1可以表示為

(13)

將N的表達式代入其中得到

(14)

由上一節分析可知，PR是與溫度弱相關的工藝參數，在測試溫度T1的數字輸出結果中被抵消掉，該校驗電路可以抵消部分工藝參數，減少工藝誤差對溫度傳感器輸出結果的影響。

3 溫度傳感器仿真結果

對溫度傳感器的各模塊電路進行仿真，并對仿真結果進行分析。首先，對脈沖產生電路循環延遲陣列進行仿真，溫度在-20～60 ℃之間，采用單個脈沖作為輸入，脈沖產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果Fig 4 Pulse width variation with temperature

溫度傳感器校準電路結構簡單，無需高端FPGA，設計采用CycloneIVEP4CE6E22C8N實現。校驗電路仿真結果如圖5，分別將校驗電路中置數計數器的值隨機設為十六進制數H04,H07，START信號高電平有效，TO上升降邊沿有效，START信號有效后，在TO對應的第一個上升邊沿TC變為高電平，當計數器中數值被清零后，TC重新變為低電平，由結果可知TC=N×TO，符合設計要求，能夠實現校準功能。

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

該脈沖經時間/數字轉換電路轉換后，不同溫度對應的數字輸出結果如圖6。可以看出,傳感器的數字輸出結果隨溫度升高而減小，且具有良好的線性度。

圖6 傳感器輸出結果Fig 6 Output result of sensor

根據計數器的輸出結果計算傳感器有效分辨率為

(15)

4 結 論

設計一種脈沖寬度調制溫度傳感器，分析了傳感器工藝誤差產生的原理，在此基礎上設計了脈沖控制電路作為校準電路，抵消部分參數的工藝誤差。采用FPGA對校準電路進行分析，分析結果驗證設計的正確性。采用SMIC0.18CMOS工藝對溫度傳感器電路進行仿真，溫度傳感器溫度范圍為-20～60 ℃時，分辨率為1 ℃/LSB。

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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

遼寧省教育廳科學技術研究一般項目(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計工作。