一种双路环形振荡器结构的温度传感器的升级.doc
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1、一种双路环形振荡器结构的温度传感器的升级1 引言在电子产品中很多电子元器件的特性都和温度密切相关,因此为了消除电子元器件性能在不同温度下的漂移,在各种电子产品中都会内嵌温度传感器。比如由于温度引起的晶体频率补偿1,基于温度控制的 MEMS 系统2等。单独的温度传感器也嵌入到各种应用中,比如医疗健康3,近场通信4。对于温度传感器技术本身而言,采用能量收集技术(Energy harvest)完成低功耗5,采用数字化和自适应补偿6-11等成为一些研究方向。因此如何设计功耗低、芯片面积小、精度高的温度传感器就成为这一课题持续研究的动力。传统的 CMOS 温度传感器利用三极管或热敏电阻的温度特性来设计,
2、而本文提出了一种利用两种不同温度系数材料来作为温度传感,采用共享电容的双路环形振荡器来实现温度传感器的技术。2 温度传感器原理温度传感器的设计,需要一个对温度敏感的电子元器件来实现,热敏电阻是常用的电子元器件。常见的热敏电阻,其电阻值是温度的函数,温度-电阻的关系通常近似如式 1 所示。(1)其中,R0 是在 T0 温度为 时的电阻值,B 为热敏电阻的温度参数,该系数和热敏电阻的材料有关。通常在其正常工作温度范围内,热敏电阻的温度-电阻曲线近似线性关系,如图 1 所示。工程上为了计算方便,通常将其曲线用线性方程做近似拟合,拟合后公式通常为式 2 的形式12,13,(2)其中,A1,A2 为温度
3、参数。对于不同的热敏电阻材料,其温度系数和通常不同。表 1 给出了一种 N+ 型多晶硅、一种 P+ 型多晶硅以及一种金属材料制成的热敏电阻的温度系数信息14,本文就是利用多晶硅和金属的不同温度系数来设计温度传感器。3 温度传感器电路在实际电路中电阻值不便于直接测量,因此通常通过一定的电路把电阻值转化为与其成一定函数关系的电流、电压或频率值等便于电路的测量和处理。而这其中,又以使用恒流源将电阻值转换为电压值,再通过 ADC 将模拟电压值转换为数字值提供给后端电路的方案最为常用。这种方法通过调整恒流源电路产生一个恒定的电流,该电流在流经电阻时产生合适的电压偏置。后级滤波放大电路对这一信号进行处理,
4、并将滤波放大后的电压送到 ADC,经过 ADC 转化,得到的数字电压值提供给后续电路处理。由于现行 ADC 能够提供很高的转换精度,并且各电路模块都有非常成熟的解决方案,因此被广泛应用于各类温度传感器的产品和解决方案中。然而 ADC 电路在转换时通常需要较高的能量,并且其成本较高。因此对于低功耗、低成本的应用,这种方案还有待提高。本文提出了一种共享电容的双路环形振荡器如图 2,利用两个振荡器频率的不同来计算温度的方案15-22,该振荡器有面积小,功耗低,准确度高的优点。本文提出的温度传感器电路是一个环形振荡器(Ring oscillator),其中的 RC 决定了该 Ring oscillat
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