COMS溫度傳感器整體電路的校準(zhǔn)與仿真分析

1、coms溫度傳感器整體電路的校準(zhǔn)與仿真分析摘 要溫度傳感器的主要性能指標(biāo)包括：分辨率、精確度、線性 度、轉(zhuǎn)換速率、功耗以及面積等。作為cmos溫度傳感器核心的溫度感應(yīng) 電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器決定了整體溫度傳感器的分辨率、精確度、線性度、 轉(zhuǎn)換速率、功耗以及面積等特性。目前主流的cmos溫度傳感器均采用cmos 縱向寄生雙極型晶體管(bjt)作為溫度傳感器的核心感溫器件，木文也 是如此，但是受到cmos工藝下寄生雙極型晶體管(bjt)自身的性能的限 制，cmos溫度傳感器還無法達(dá)到較高的精度。關(guān)鍵詞coms;溫度傳感器;校準(zhǔn);仿真中圖分類號：tn432文獻(xiàn)標(biāo)識碼：b文章編號：1009-914x (2

2、016) 28-0341-01本文分析了 cmos溫度傳感器整體電路的校準(zhǔn)，接著給出溫度傳感器 的整體電路的性能仿真結(jié)果，包括精度、功耗等仿真結(jié)果，最后對本文所 設(shè)計(jì)的cmos溫度傳感器的性能進(jìn)行了小結(jié)。一，coms溫度傳感器整體電路的校準(zhǔn)本文將首先推導(dǎo)trimming電路中的trimming電阻與最終的輸岀u之 間的關(guān)系，然后利用該關(guān)系式來求出不同的工?角下的trimming電阻的大 小，然后求出各工藝角所對應(yīng)的trimming電阻的s4-s0的二進(jìn)制編碼。 最后將該二進(jìn)制編碼輸入到溫度傳感器中，再進(jìn)行溫度傳感器的精度仿 真，通過精度是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)來檢驗(yàn)本文的校準(zhǔn)技術(shù)是否有效。本設(shè)計(jì)所用的

3、修調(diào)電路的虛線框中電路的襯底寄牛雙極型pnp品體管 偏置在電流下，一個(gè)與同種材料的可編程電阻串聯(lián)在pnp晶體管的發(fā)射極, 則上的壓降為ptat電壓：,其中，m是產(chǎn)生的電流密度比。本文的設(shè)計(jì)中p二m二3,因此可以獲 得公式一公式屮可確定修調(diào)電阻的值，在確定了的阻值z后，需耍確定 所對應(yīng)的s4-s0的編碼，為了使得本文的trimming電路簡單易行，本文 將不需要校準(zhǔn)（本文選擇典型工藝角（tt, bjt.tt, res.tt, 3.3v電源） 下的溫度傳感器不需要校準(zhǔn)）時(shí)的的值人為的設(shè)置為總trimming電阻的 16/32,其所對應(yīng)的s4-s0的編碼為10000,這樣的話在利用式計(jì)算出之后, 需

4、耍再加上總trimming電阻的16/32就是本設(shè)計(jì)實(shí)際所使用的trimming 電阻，進(jìn)而可知利用式計(jì)算出的對應(yīng)到本文的設(shè)計(jì)中所對應(yīng)的s4-s0的編 碼的十進(jìn)制，獲得以下公式：?；诖朔治?，木文計(jì)算出了木文所設(shè)計(jì)的 溫度傳感器在smic的0. 18 11 m工藝下的135種不同pv（工藝角-電源電壓） 組合下的以及其所對應(yīng)的s4-s0的編碼。相關(guān)分析數(shù)據(jù)可得：不受電源電 壓波動(dòng)的影響;此外，所得到的被bjt的工藝角有規(guī)律的分成了三組，具 體表現(xiàn)為：所有的pv組合中包含工藝角的幾乎相同，所對應(yīng)的 s4-s0的編碼也幾乎相同;所有的pv組合中包含工藝角bjt ss的幾乎相 同，所對應(yīng)的s4-s0

5、的編碼也幾乎相同；所有的pv組合中包含工藝角 bjt_ff的幾乎相同，所對應(yīng)的s4-s0的編碼也幾乎相同。,coms溫度傳感器的幣體電路的仿真1，溫度傳感器的精度仿真溫度傳感器的仿真過程為:1）在典型工藝角（tt, bjt_tt, rcs_tt, 3. 3v 電源）下，在 s4-s0 依次輸入高低電平為10000,接著在給定的溫度下完成一次轉(zhuǎn)換，并記錄 下轉(zhuǎn)換的結(jié)果data10： 0,并將該結(jié)果所對應(yīng)的二進(jìn)制轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)。2）重復(fù)1的步驟，直到得到足夠多的溫度和對應(yīng)輸出為止，在本文 的仿真屮是在-40°c到125°c的溫度范圍內(nèi)每隔20°c進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。3）利用

6、步驟2中得到的溫度與溫度傳感器輸出的對應(yīng)關(guān)系，得到該 溫度傳感器的轉(zhuǎn)換曲線：。該轉(zhuǎn)換曲線將作為整個(gè)溫度傳感器的唯一的溫度轉(zhuǎn)換曲線，并以英為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行溫度傳感器的校準(zhǔn)。4）改變仿真環(huán)境下的pv （工藝角-電源電壓）組合，將相應(yīng)pv組合 下的對應(yīng)的s4-s0依次輸入到溫度傳感器屮，重復(fù)第1步驟和第2步驟。5）將4步驟結(jié)束后所得到的溫度與溫度傳感器輸出的對應(yīng)關(guān)系與步 驟3所得到的唯一的溫度轉(zhuǎn)換曲線作對比，計(jì)算出溫度誤差。6）重復(fù)第4、5步驟直到所有的pv組合都仿真過一遍為止。圖1給出了典型工藝角（tt,res_tt, 3.3v電源）下的溫度傳感器的數(shù)字輸出與溫度z間的關(guān)系，并利用直線擬合出了溫度傳感器

7、的 轉(zhuǎn)換曲線，其轉(zhuǎn)換曲線為一圖1,典型工藝角（tt,res_tt, 3.3v電源電壓）下的溫度傳感器的數(shù)字輸出與攝氏溫度之間的關(guān)系結(jié)合常見的幾種pv組合下可以看出，未經(jīng)校準(zhǔn)時(shí)溫度傳感器的誤差 為±3°c,而且可以明顯的觀察到包含bjt_ss或者bjt_ff的pv組合下的 溫度誤差是一個(gè)近似ptat的誤差;經(jīng)過校準(zhǔn)之后溫度傳感器的誤差小于土0. 42°c。此外通過對所有的pv組合下的溫度傳感器進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過 校準(zhǔn)后的溫度傳感器的誤差都小于土0. 42°c,由此得，本文所設(shè)計(jì)的溫度 傳感器的精度可達(dá)土0. 42°co2,溫度傳感器的功耗仿真本文

8、利用pd信號來進(jìn)行溫度傳感器在不工作狀態(tài)下和止常工作狀態(tài) 的的功耗的仿真,結(jié)合典型pv組合(tt,res_tt, 27°c, 3. 3v電源電壓的)下的溫度傳感器的不工作狀態(tài)下的泄露電流以及正常工作時(shí) 所消耗的電流。典型情況下本文所設(shè)計(jì)的溫度傳感器的泄露電流為83na, 正常工作時(shí)消耗的電流約為200 u ao本文結(jié)合幾種典型pv組合下的溫度 傳感器的泄露電流以及止常工作電流，典型情況下溫度傳感器的功耗大約 為 3. 3*210u693 uw。結(jié)語木文采用的時(shí)鐘周期是15khz,轉(zhuǎn)換一次需要2064個(gè)時(shí)鐘周期，因此 本文所設(shè)計(jì)的cmos溫度傳感器的轉(zhuǎn)換周期是16. 512ms,進(jìn)而可知本文的 cmos溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速度約為60spso另外，本文利用11位的adc對 -40°c到125攝氏度的溫度范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行量化，在adc的輸入動(dòng)態(tài)范 圍的利用率是80%的情況下，可以估算出本文所設(shè)計(jì)