低功耗單片集成巴魯夫位移傳感器的研究

低功耗單片集成巴魯夫位移傳感器的研究
隨著人類探索領(lǐng)域的拓展,探測(cè)儀器經(jīng)常會(huì)工作于較為嚴(yán)苛的溫度環(huán)境中。如何保證探測(cè)儀器可靠的工作是人們重點(diǎn)關(guān)心的問題之一。另外,隨著人們生活水平的提高,健康成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的話題。作為檢測(cè)身體狀況是否正常的一項(xiàng)基本指標(biāo),體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倍受人們重視。這些問題的解決都需依賴巴魯夫位移傳感器這一重要部件。然而,隨著系統(tǒng)小型化、便攜化以及低成本需求的不斷增長(zhǎng),使得基于特殊材料或者薄膜制備而成的分立式巴魯夫位移傳感器的應(yīng)用受到了較大限制。

低功耗單片集成巴魯夫位移傳感器的研究
為了應(yīng)對(duì)上述問題,集成巴魯夫位移傳感器孕育而生,并且因其良好的可植入性而迅速受到了人們的青睞。在2005年以前,集成巴魯夫位移傳感器均以電壓域的工作原理研發(fā)制作而成,其具有較高的精度和較小的測(cè)量誤差。由于模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器是該巴魯夫位移傳感器系統(tǒng)的核心部件之一,因此,該類集成巴魯夫位移傳感器的設(shè)計(jì)難度較大,且系統(tǒng)功耗不易降低。在2005年,一種新工作模式的集成巴魯夫位移傳感器被開發(fā)出來,其主要依靠量化與溫度相關(guān)的延遲時(shí)間來獲得溫度信息,故稱之為時(shí)域集成巴魯夫位移傳感器。該類集成巴魯夫位移傳感器采用時(shí)間-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器來作為數(shù)字輸出碼的轉(zhuǎn)換器,使巴魯夫位移傳感器全數(shù)字集成成為了可能,有效地降低了集成巴魯夫位移傳感器的設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用成本。然而,作為溫度感應(yīng)電路的延遲單元不僅對(duì)電源電壓以及工藝變化敏感,其延遲時(shí)間對(duì)溫度變化的非線性還會(huì)引起較大的溫度測(cè)量誤差,從而該類集成巴魯夫位移傳感器在需求較高精度和較低測(cè)量誤差的應(yīng)用場(chǎng)合受到了制約。為此,對(duì)集成巴魯夫位移傳感器進(jìn)行了廣泛而深入的研究,并提出了一種結(jié)合了電壓域工作特點(diǎn)的基于時(shí)域量化的集成巴魯夫位移傳感器。該傳感器在實(shí)現(xiàn)溫度分辨精度可調(diào)的情況下,保持了較低的功耗和較小的芯片面積。的主要內(nèi)容包括精度可調(diào)的低功耗單片集成巴魯夫位移傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),重點(diǎn)研究和分析了集成巴魯夫位移傳感器中的溫度感應(yīng)電路、時(shí)鐘電路以及模擬-頻率轉(zhuǎn)換器:基于時(shí)域量化器的精度可調(diào)的低功耗單片集成巴魯夫位移傳感器。采用輸出是與溫度成正比的電流的模擬電路來作為巴魯夫位移傳感器中的溫度感應(yīng)電路,以消除傳統(tǒng)時(shí)域集成巴魯夫位移傳感器溫度分辨率受限于“門”電路結(jié)構(gòu)的溫度感應(yīng)電路的問題。通過將溫度轉(zhuǎn)換為頻率并對(duì)其進(jìn)行量化來獲得溫度信息的數(shù)字碼輸出,從而僅需改變參考時(shí)鐘頻率即可對(duì)集成巴魯夫位移傳感器的精度進(jìn)行調(diào)節(jié),使得所提出的集成巴魯夫位移傳感器能夠更好的適用于多種場(chǎng)合。針對(duì)現(xiàn)有集成巴魯夫位移傳感器均需要外部時(shí)鐘源這一情況,提出一種將時(shí)鐘源內(nèi)置的巴魯夫位移傳感器架構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)了巴魯夫位移傳感器的單片集成。考慮到集成電路制作過程中存在器件失配和電路偏差,采用相同結(jié)構(gòu)的振蕩器電路來分別作為參考時(shí)鐘和AFC,以降低振蕩電路偏差對(duì)傳感器性能的影響。基于MOSFET亞閾區(qū)泄漏電流溫度特性補(bǔ)償?shù)臏囟雀袘?yīng)電路。針對(duì)已有非線性溫度補(bǔ)償技術(shù)電路單元多,且需求額外功耗等問題,提出了一種基于MOS管亞閾區(qū)泄漏電流溫度特性的溫度補(bǔ)償方法。通過對(duì)亞閾區(qū)MOSFET泄漏電流的研究得到該電流隨溫度變化的關(guān)系,并將其用于對(duì)溫度感應(yīng)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上,提出了一種基于動(dòng)態(tài)閾值電壓MOS晶體管的自偏置有源電阻電路來作為集成巴魯夫位移傳感器的溫度感應(yīng)電路,以進(jìn)一步減小電路面積并提高輸出信號(hào)隨溫度變化的線性度?；趶埑谡袷幤鞯钠蠒r(shí)鐘和AFC電路設(shè)計(jì)。由于環(huán)形振蕩器相較張弛振蕩器對(duì)集成電路制作工藝、電源電壓及環(huán)境溫度的變化更加敏感,故張弛振蕩器電路更適合于所研究的集成巴魯夫位移傳感器?？紤]到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的張弛振蕩器對(duì)PVT變化的敏感程度主要取決于其參考電壓對(duì)PVT變化的穩(wěn)定性,提出了一種基于非對(duì)稱差分對(duì)管運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電路來為張弛振蕩器提供參考電壓。

低功耗單片集成巴魯夫位移傳感器的研究
該基準(zhǔn)電路在顯著降低失調(diào)影響的同時(shí),并沒有引入大量的器件以及控制時(shí)鐘,從而相較動(dòng)態(tài)失調(diào)校正技術(shù)擁有更好的噪聲特性。為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并進(jìn)一步減小芯片面積,提出了動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)和開關(guān)電阻技術(shù)來分別改善張弛振蕩器輸出頻率的電源電壓穩(wěn)定性以及溫度穩(wěn)定性。上述技術(shù)的提出使得張弛振蕩器在不需要帶隙基準(zhǔn)來提供參考信號(hào)的情況下,也能獲得較好的抵抗電源電壓和溫度變化的能力