高精度低功耗温度传感器设计.pdf

摘要 摘要 在数字化需求日益增长的信息化时代，高稳定度频率源在电子通信技术和市场的高速发展下变 得愈加重要，而石英晶体谐振器产生的频率源在稳定性方面具有明显优势。在工程实践中发现，当 环境温度发生较大改变时，电子设备的频率源精确度受到影响，甚者导致设备故障，主要是由于石 英晶体谐振器谐振频率会随温度的变化而改变，称此特性为频率温度特性，为了消除环境温度大范 围变化对频率源精确度的影响，需要对石英晶体振荡器进行温度补偿，设计内部温度补偿网络产生 相应的补偿电压来调节谐振频率，减小其谐振输出频率的偏移，从而改善其频率温度特性。论文针 对石英晶体振荡器的温度补偿设计了高精度低功耗温度传感器。 论文研究并设计了基于电阻的CMOS 温度传感器，电路由感温模块、连续时间相控Σ-Δ 模数转 换电路组成。采用 RC 谐振滤波器作为温度感应电路，当输入信号频率为滤波器的工作频率时，温 度的变化线性改变了电阻的阻值，进而产生与温度变化线性相关的相移。所设计的感温模块，在-45℃ 到 85℃的测温范围内，产生的总相移为 11°。研究了感温模块电路在工业温度范围内变化时的系统 误差，分别为相移的非线性误差值0.035℃和系统电阻热噪声造成的温度误差0.216℃ 。使用连续时 间相控Σ-Δ 调制器对完成解调的相移模拟量进行数字转换，通过调制器特有的过采样技术和噪声整 形技术，降低了带宽内量化噪声和其他噪声的功率。连续时间相控Σ-Δ 调制器的设计包括在MATLAB 和Verilog-A 中两次行为级仿真，在MATLAB 中完成了离散时间的噪声传递函数设计、调制器结构 选择、非理想因素分析等工作，其信噪比为94.1dB ；在Verilog-A 中完成了离散时间调制器到连续时 间调制的转换验证，其信噪比为89.8dB 。完成了晶体管级电路设计，主要电路包括低电压带隙基准 源、全差分两级运算放大器、恒定跨导放大器和比较器。 电路采用1.2V 的电源电压供电，在65nmCMOS 工艺中完成后仿真，在-40℃-85℃的测温范围， 5ms 的转换时间内，温度传感器的温度误差可达到±0.25℃的精度，电路的功耗为0.096mW ，芯片面 积为1150μm 650μm ，可应用在石英晶体振荡器频率基准的温度补偿中。 关键词: CMOS 温度传感器，连续时间相控Σ-Δ 调制器，温度补偿 I Abstract Abstract In the information age of increasing digital demand, high-stability frequency sources have become more and more important under the rapid development of electronic communication technology and market, and the frequency source generated by quartz crystal resonators has obvious advantages in stability. In engineering practice, it is found that when the temperature changes greatly, the accuracy of the frequency source of the electronic device is affected, which leads to equipment failure. This is because the resonant frequency of the quartz crystal resonator changes with temperature, which is called the frequency temperature characteristic. In orde