一種熱釋電紅外控制芯片設(shè)計

吳航杰，鐘 晟，魏榕山

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

熱釋電紅外傳感器（Pyroelectric Infrared Detector，PID）是一種基于被動式紅外傳感技術(shù)的先進(jìn)設(shè)備[1]。該技術(shù)采用非接觸方式來探測人體或其他物體所釋放的紅外線[2]，從而有效克服主動式紅外傳感器在識別運動生物體與非生物體方面存在的局限性[3]。對比主動式技術(shù)可能因不明物體阻擋紅外發(fā)射機(jī)光路而導(dǎo)致誤報的情況，熱釋電紅外傳感器能夠可靠地避免這類干擾[4]。其獨特之處不僅在于能夠廣泛檢測溫度范圍，而且在整個光波譜范圍內(nèi)具有均勻的頻率響應(yīng)[5]。這些特性使得該技術(shù)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如溫度測量、火災(zāi)預(yù)警、不同物體辨識、人員安全保障和防范、自動門以及自動照明等領(lǐng)域[4]。隨著熱釋電紅外傳感器的廣泛應(yīng)用，專用控制芯片作為傳感器與負(fù)載之間的核心部件[6]，因其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和卓越的抗噪聲性能，以及對電源和溫度波動影響較小等諸多優(yōu)點，逐漸成為取代傳統(tǒng)分立電路和多芯片組合方式的首選[7]。針對其性能特點，業(yè)界不斷進(jìn)行著性能改進(jìn)和技術(shù)完善，以滿足日益增長的需求和更廣泛的應(yīng)用場景[8]。

本文設(shè)計的熱釋電紅外探測器專用控制芯片屬于一款數(shù)模混合芯片。基于對熱釋電紅外傳感器探測器所輸出信號的分析，結(jié)合特定設(shè)計要求，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木C合考慮，本文設(shè)計了振蕩器、帶隙基準(zhǔn)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字電路等模塊。經(jīng)過實驗仿真驗證，所設(shè)計的電路展現(xiàn)出特定的頻率選擇和有效的濾波效果，滿足低功耗要求，成功實現(xiàn)了對熱釋電紅外信號的處理。這一研究結(jié)果為熱釋電紅外傳感器的信號處理提供了可靠的解決方案，可在各種應(yīng)用場景發(fā)揮重要作用。

1 熱釋電紅外控制芯片的系統(tǒng)設(shè)計

熱釋電紅外控制芯片由模擬信號處理電路和數(shù)字信號處理電路兩部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。這一系統(tǒng)包括多個模塊，主要模塊有環(huán)形振蕩器、帶隙基準(zhǔn)電流源、上電復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)值比較器以及數(shù)字帶通濾波器等。帶隙基準(zhǔn)電流源用于提供可靠的電流基準(zhǔn)，保障芯片內(nèi)部電路的穩(wěn)定運行。環(huán)形振蕩器的作用在于產(chǎn)生模擬時鐘信號，經(jīng)過二分頻后為數(shù)字電路提供系統(tǒng)時鐘CLK，確保芯片各模塊同步運行。上電復(fù)位電路負(fù)責(zé)在芯片上電時對其進(jìn)行初始化設(shè)置，保證其正常工作。模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，如圖1中的數(shù)字碼ak、bk和ck，以便后續(xù)數(shù)字信號處理。數(shù)字帶通濾波器用于過濾并得到所需頻率范圍的信號，以供后續(xù)處理或輸出使用。數(shù)字比較器用于比較數(shù)字碼ak與靈敏度閾值碼bk，從而判斷PIRN信號是否滿足特定條件。這些模塊相互配合，構(gòu)成了熱釋電紅外探測器專用控制芯片的完整功能結(jié)構(gòu)，為熱釋電紅外探測器的信號處理提供必要的支持和保障。

圖1 系統(tǒng)電路框圖

2 電路設(shè)計

2.1 環(huán)形振蕩器

為實現(xiàn)低的靜態(tài)功耗，在滿足振蕩頻率范圍的條件下，本設(shè)計采用環(huán)形振蕩器來給系統(tǒng)提供時鐘信號，電路原理如圖2所示。

圖2 環(huán)形振蕩器電路

圖2電路的工作過程分為充電過程和放電過程。圖2中，A～H處的電壓分別表示為VA～VH。充電過程中，剛上電時初始的VB為低電平，MP3導(dǎo)通，VC為高電平，MN1、MN2、MN3導(dǎo)通；VA、VD為低電平，MP4、MP5導(dǎo)通，MN4不導(dǎo)通，VE為高電平；經(jīng)過反相器后VF為低電平，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器后VG為高電平，VG經(jīng)過反相器得到信號CLK為低電平，MN1不導(dǎo)通從而使電容C1能完成充電。放電過程中，當(dāng)電容C1兩端的電壓充電至VB-VH>|VTHP（VTHP表示的是MP3管子的閾值電壓），MP3不導(dǎo)通，進(jìn)而MN1、MN2不導(dǎo)通，MNP2導(dǎo)通，VA為高電平，MN4導(dǎo)通后VE為低電平，VE經(jīng)過兩個反相器和一個施密特觸發(fā)器后得到CLK為高電平，MN1導(dǎo)通，C1電容開始放電，VB電壓隨之下降，當(dāng)VB電壓下降至滿足MP3導(dǎo)通時，重復(fù)充電過程。

2.2 帶隙基準(zhǔn)電流源

為了給振蕩器的電容充電以及給模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供偏置，本文設(shè)計了一種帶隙基準(zhǔn)電流源，電路原理如圖3所示。

圖3 帶隙基準(zhǔn)電路

圖3的帶隙基準(zhǔn)電路基于正負(fù)溫度系數(shù)電流相加的工作模式，根據(jù)運放的特性[9-10]，電阻R1和R2的電流相等，Q1和Q2的集電極電流也相等。若晶體管Q2和Q1發(fā)射結(jié)面積之比為N，則流過電阻R3的電流為

式中：VEB1和VEB2分別為Q1、Q2管的發(fā)射極和基極之間的電壓，VT是熱電壓。流過MP2的電流I2是電阻R2和R3的電流之和，可以表示為

式中：VY是電阻R2上的電壓。如果晶體管MP1、MP2、MP5和MP7的寬度W和長度L的比例相同，則流經(jīng)MP7的電流Iref和R4上的電壓可以表示為

從式（4）可以得到，選擇合適的電阻R2和R3阻值和發(fā)射結(jié)面積比N，可以改變正溫度系數(shù)的權(quán)重，從而使得帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓與溫度無關(guān)。

2.3 上電復(fù)位電路

本設(shè)計的數(shù)字部分使用了大量的觸發(fā)器和寄存器。由于設(shè)計的芯片沒有預(yù)留外部的復(fù)位信號端口，因此芯片內(nèi)部設(shè)計了一個上電復(fù)位模塊，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上電復(fù)位電路

上電復(fù)位電路的要求是，在VDD上電過程中復(fù)位電路賦予數(shù)字電路初始值，上電結(jié)束后復(fù)位電路停止工作，對數(shù)字電路的工作不產(chǎn)生任何影響。圖4中，VDD從0 V到5 V上電，在這個過程中MP1、MP2、MP3、MP4管子相繼導(dǎo)通，MN1等效為一個電容器，B點電位從0 V開始上升。當(dāng)VB電壓小于MN2和MN3的導(dǎo)通電壓，C點電位為高，POR輸出為低電平；當(dāng)VB電位大于MN2和MN3的導(dǎo)通電壓，C點電位為低，POR輸出為高電壓。上述工作過程完成了VDD上電時POR輸出由低電平到高電平的一個變化。當(dāng)VDD上電穩(wěn)定后，VB電位一直為高，即POR輸出也一直為高電平，本設(shè)計的數(shù)字電路為低電平復(fù)位，滿足設(shè)計要求。

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

系統(tǒng)里包含兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)對紅外熱釋電探頭輸入的低頻信號進(jìn)行采樣和處理，隨后將處理后的數(shù)字碼傳送至數(shù)字濾波器以進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。另外一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將靈敏度閾值電平和延遲時間設(shè)置電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼。設(shè)計中的這兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器在整體系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵的角色，它們在系統(tǒng)中的連接和功能布局如圖1所示。這兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器有效地實現(xiàn)了對輸入信號的轉(zhuǎn)換和處理，為熱釋電探頭的信號采集和控制提供了必要的支持。

在圖1的系統(tǒng)中，靈敏度閾值電平和延遲時間設(shè)置電平經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后各自轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼bk和數(shù)字碼ck。需要強(qiáng)調(diào)的是，將靈敏度閾值電平和延遲時間設(shè)置電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，僅在觸發(fā)使能信號來臨后的8個CLK時鐘周期內(nèi)工作。前4個CLK時鐘周期內(nèi)將靈敏度閾值電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼bk，后4個CLK時個鐘周期內(nèi)將延遲時間設(shè)置電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼ck。當(dāng)8個時鐘周期計數(shù)完成，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器停止工作以降低系統(tǒng)功耗。

數(shù)字碼bk被輸入至數(shù)字比較器，與從熱釋電紅外傳感器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字碼ak進(jìn)行比較。當(dāng)數(shù)字碼bk小于數(shù)字碼ak時，比較器輸出為1；當(dāng)數(shù)字碼bk大于數(shù)字碼ak時，比較器輸出為0。比較器輸出為1時，由觸發(fā)時間邏輯模塊控制的REL輸出也為1，同時根據(jù)數(shù)字碼ck所對應(yīng)的上電時間啟動計時。如果計時達(dá)到設(shè)定時間而比較器輸出仍為1，則重復(fù)進(jìn)行計時操作；如果在計時過程中比較器的輸出變?yōu)?，即表示紅外信號低于靈敏度閾值，則根據(jù)數(shù)字碼ck對應(yīng)的延遲時間，REL將持續(xù)輸出為1，直至延遲時間計時結(jié)束為止。這一過程中，數(shù)字碼ck的作用是控制相應(yīng)的計時和延遲操作，確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確響應(yīng)并判斷紅外信號的強(qiáng)度和REL輸出為1的持續(xù)時間，從而實現(xiàn)相應(yīng)的輸出和控制動作。

2.5 數(shù)字電路設(shè)計

數(shù)字部分的電路涵蓋了多個關(guān)鍵模塊，主要包括二分頻電路、數(shù)字濾波器、數(shù)字比較器和觸發(fā)事件邏輯等模塊，各模塊在整體電路中的框圖如圖1所示。這些模塊在熱釋電紅外控制芯片系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用。二分頻模塊負(fù)責(zé)對振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號進(jìn)行分頻，將時鐘頻率降低至模擬時鐘頻率的一半，并確保時鐘信號50%的占空比。這一過程為數(shù)字電路提供了更適宜的時鐘信號。數(shù)字濾波器由二階低通濾波器與三階高通濾波器級聯(lián)組成帶通濾波器。根據(jù)市面上熱釋電紅外傳感器輸出信號的頻率，級聯(lián)后的數(shù)字帶通濾波器的通帶頻率設(shè)置為0.44～7 Hz，作用是濾除信號中不需要的頻率成分，使得輸出更為精確、可靠。觸發(fā)事件邏輯模塊內(nèi)部存儲著延遲時間數(shù)字碼對應(yīng)的不同計數(shù)值，根據(jù)不同數(shù)字碼的選擇來控制上電時間和延遲時間，從而影響REL的輸出。這些設(shè)定需要根據(jù)具體應(yīng)用場合對傳感器的觸發(fā)邏輯進(jìn)行調(diào)整和控制。

表1 數(shù)字碼ck對應(yīng)的上電時間和延遲時間

所有的數(shù)字模塊都是通過Verilog代碼實現(xiàn)，并且通過AMS仿真進(jìn)行數(shù)模混合驗證，在確保其前仿功能的正確的情況下通過數(shù)字后端綜合生成數(shù)字版圖。

3 仿真結(jié)果及分析

本電路采用5 V 1P3M CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計，并在Cadence軟件Virtuoso環(huán)境下對電路進(jìn)行仿真驗證。

3.1 環(huán)形振蕩器的仿真

在5 V電源電壓下，-40～120 ℃范圍內(nèi)對帶隙基準(zhǔn)電流模塊和環(huán)形振蕩器模塊進(jìn)行工藝角仿真和溫度仿真，得到不同工藝角和不同溫度下的時鐘振蕩頻率和電流功耗，如表2所示。仿真表明，在tt工藝角和室溫23 ℃條件下，未進(jìn)行二分頻時的時鐘周期約為15.67 μs，此時的電流功耗大約為12.84 μA。對表2進(jìn)行分析可知，ff工藝角下的時鐘周期最小、頻率最高，電流功耗最高；而ss工藝角下，時鐘周期最大、頻率最低，但電流功耗也最低。需要強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)字電路內(nèi)部共用經(jīng)過二分頻后的時鐘信號，同時輸入信號PIRN的頻率僅為幾個赫茲。因此，盡管存在模擬時鐘的偏差，但并不會對整個芯片的整體功能產(chǎn)生影響。這表明數(shù)字電路能夠有效處理并兼容不同工藝角下的時鐘頻率及功耗變化，保證芯片功能的穩(wěn)定性和可靠性。

表2 振蕩器在不同溫度、不同工藝下的時鐘周期和電流功耗

3.2 上電復(fù)位的仿真

初始時，電源電壓設(shè)置為0 V，經(jīng)過0.1 ms的時間，電源電壓翻轉(zhuǎn)至5 V，并持續(xù)保持在5 V的電壓狀態(tài)直至2 ms。隨后，在2 ms時刻電源電壓開始逐漸下降，到達(dá)2.1 ms時降至1 V，繼續(xù)保持1 V電壓狀態(tài)直至4 ms。而在4 ms時，電源電壓重新開始上升，在4.1 ms時達(dá)到5 V，電源電壓VDD波形如圖5所示。POR電壓波形如圖6所示。

圖5 電源電壓VDD波形圖

圖6 POR電壓波形圖

根據(jù)圖6上電復(fù)位電路的輸出POR電壓波形可知，在初始電源電壓翻轉(zhuǎn)到5 V時，上電復(fù)位電路的輸出POR電壓仍保持在0 V狀態(tài)。經(jīng)過0.94 ms后，復(fù)位電路開始進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，在0.98 ms時，POR信號翻轉(zhuǎn)至5 V。電源電壓翻轉(zhuǎn)至5 V后POR保持低電平的這段時間即是數(shù)字電路復(fù)位時間。復(fù)位時間遠(yuǎn)超出時鐘信號CLK的周期時間，滿足了對數(shù)字電路的復(fù)位要求。隨著電源電壓開始下降，POR電壓隨之降至0 V，重新對數(shù)字電路進(jìn)行復(fù)位，從而保障芯片的正常運行。在4 ms時，隨著電源電壓重新上升，復(fù)位信號POR再次經(jīng)歷了先保持低電平再翻轉(zhuǎn)至高電平5 V的過程，以確保數(shù)字電路得到正確的初始化，并能夠穩(wěn)定運行。

3.3 整體電路的仿真

對整體電路進(jìn)行數(shù)模混合仿真，得到系統(tǒng)的時序波形。圖7為環(huán)形振蕩器的時鐘信號波形和經(jīng)過二分頻模塊后的時鐘信號波形示意圖。仿真結(jié)果表明，tt工藝角、室溫環(huán)境下，環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的模擬時鐘信號CLK_OSC的高電平保持時間小于低電平保持時間，經(jīng)過二分頻電路后的數(shù)字時鐘信號CLK的頻率為模擬時鐘信號頻率CLK_OSC的一半，占空比為50%，頻率為64 kHz。

圖7 系統(tǒng)時鐘波形圖

整體電路時序波形如圖8所示。圖8中的CLK波形是通過二分頻電路后產(chǎn)生的時鐘信號，CDS則是由控制觸發(fā)禁止的端口輸入進(jìn)來的信號。當(dāng)CDS信號小于施密特觸發(fā)器的VTHRL閾值時，系統(tǒng)內(nèi)部電路會攔截觸發(fā)信號的傳遞，將輸入圖1中觸發(fā)事件邏輯模塊的comparator_result信號置為無效狀態(tài)，導(dǎo)致REL端持續(xù)輸出低電平信號。當(dāng)CDS大于施密特觸發(fā)器的VTHRH時，內(nèi)部電路開啟觸發(fā)信號，此時比較器若產(chǎn)生高電平的comparator_result信號，觸發(fā)事件邏輯模塊進(jìn)入計時階段，同時REL輸出高電平。芯片在應(yīng)用時，CDS端結(jié)合光敏電阻，可以設(shè)定白天關(guān)閉系統(tǒng)、晚上開啟工作的模式，從而提高系統(tǒng)的靈活性和智能性。由圖8可知，當(dāng)CDS信號由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，并且CLK信號由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平時，內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始工作。

圖8 整體電路時序波形圖

數(shù)模混合仿真時，所設(shè)定的靈敏度閾值的直流電平經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成1010的數(shù)字碼bk。bk存入數(shù)字比較器中，等待數(shù)字碼ak到來后與之比較。如圖9所示，數(shù)字碼ak一開始為0000，比bk小，所以LED輸出一直為低電平。隨著輸入信號PIRN逐漸增強(qiáng)后ak為1001，但仍然小于數(shù)字碼bk，所以LED保持低電平輸出；當(dāng)輸入信號增強(qiáng)到使ak為1011，則在下一個CLK高電平翻轉(zhuǎn)時LED輸出為1；若PIRN信號持續(xù)增強(qiáng)，使ak為1111，則LED保持高電平輸出。

4 結(jié)語

本文介紹了基于5 V 1P3M CMOS工藝、采用數(shù)模混合設(shè)計的一種熱釋電紅外傳感器控制芯片。該芯片能完整實現(xiàn)對紅外信號的接收、放大、處理，產(chǎn)生有效數(shù)字電平用于驅(qū)動繼電器、可控硅等負(fù)載。該芯片還設(shè)計了靈敏度閾值可調(diào)和延遲時間可調(diào)等功能，使其能靈活地適用于不同場景和需求。通過數(shù)模混合仿真結(jié)果可知，在5 V電源電壓、tt工藝角和27 ℃的室溫條件下，該芯片的靜態(tài)功耗為17.52 μA，動態(tài)功耗小于0.93 mA。在3～5.5 V的電壓范圍內(nèi)，芯片能穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)其功能。