Schaltungsstruktur und Prinzip des Zeitbereichs Temperatursensors
Der Zeitbereichs-Temperatursensor ersten Bedarf die Temperaturinformation in einer Zeitinformation zu konvertieren, und der Ringoszillator ist ein Weg, um die Temperatur in eine Zeitdomäne variable umzuwandeln. Nach der Literatur steht die Verzögerung des Wechselrichters in einem linearen Verhältnis zur Temperatur. Die Frequenz wird schließlich in ein digitales Codewort gemessen, indem die Frequenz mit einem Time-to-Digital-Wandler (TDC) gemessen wird. Um die Genauigkeit weiter zu verbessern, müssen die konvertierten Daten häufig kalibriert werden. Darüber hinaus kann die Kalibrierung der Versorgungsspannung auch durch mehrmaliges Messen der Varianz erreicht werden. Die Hauptschaltungsstruktur eines Zeitbereichstemperatursensors basierend auf einem temperaturkompensierten Wandler ist in Abbildung 1 dargestellt.
1.1 Analyse und Verbesserung der Erfassungsschaltung
Der Erfassungsteil dieses Entwurfs verwendet hauptsächlich die Beziehung zwischen Temperatur und Wechselrichterverzögerung, um die Temperatur in die damit verbundene zeitvariable Impulsbreite puls_width umzuwandeln. Sein Schaltplan ist in Abbildung 2 dargestellt.
Die Verzögerung des Wechselrichters hat die folgende quantitative Beziehung zur Temperatur:
Wobei W und L die Breite bzw. Länge der konstituierenden Transistoren sind; CL und Cox sind Lastkapazität und Oxidschichtkapazität pro Flächeneinheit; μ ist die Beweglichkeit von Elektronen (oder Löchern); VDD und Vth sind die Versorgungsspannung bzw. die Schwellenspannung. Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass die Verzögerung des Wechselrichters mit einer Vielzahl von Parametern zusammenhängt, bei denen die Mobilität μ und die Schwellenspannung Vth temperaturabhängig sind. Die Änderung des Transistor-Seitenverhältnisses verursacht sowohl Änderungen der Schwellenspannung als auch der Lastkapazität. Daher ist die Auswahl der richtigen Transistorgröße für den Erfassungsabschnitt besonders wichtig. Im Vergleich zur Mobilität verursacht die Temperatur eine kleine und im Wesentlichen lineare Beziehung zur Wechselrichterverzögerung, indem sie die Schwellenspannung beeinflusst. In dem in diesem Artikel interessierenden Messbereich von 50 ° C bis 100 ° C kann daher nur der Einfluss der Temperatur auf die Mobilität berücksichtigt werden. Die Mobilität hat einen negativen Temperaturkoeffizienten und ihre spezifische Beziehung ist wie folgt:
Wobei q die Ladung des Elektrons (oder Lochs) ist; m ist die effektive Qualität; T ist die Temperatur; Ni ist die Ionisationsverunreinigungskonzentration; A und B sind relative Koeffizienten. Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Wechselrichterverzögerung umgekehrt proportional zur Mobilität D∝1 / μ ist; Aus der Formel (2) ist ersichtlich, dass die Mobilität umgekehrt proportional zur Temperatur μ∝1 / T ^ a ist (wobei a eine Konstante [4] nahe 1 ist). Aus der Literatur ist bekannt, dass die Frequenz des Ringoszillators F = 1 / (2ND) ist, so dass die Empfindlichkeit der Frequenz des Oszillationsrings gegenüber der Temperatur umgekehrt proportional zum Seitenverhältnis des Transistors ist. Eine übermäßige Schwingungsfrequenz des Schwingungsrings führt zu einem hohen Stromverbrauch und verursacht einen großen Eigenerwärmungseffekt, wodurch die Messung der tatsächlichen Temperatur gestört wird. Das Monte-Carlo-Simulationsverfahren wird verwendet, um ein vernünftiges Verhältnis von Breite zu Länge von PMOS von L / W = 0,3 μ / 0,24 μ zu erhalten, da die Elektronenmobilität etwa das 2,5-fache der von Löchern beträgt. Um die Anstiegs- und Abfallzeit des Wechselrichters auszugleichen, beträgt das Verhältnis von Breite zu Länge des NMOS L / W = 0,3 μ / 0,12 μ. Unter Berücksichtigung der Schwingungsfrequenz und des Temperaturkoeffizienten wird schließlich der aus dem 31-stufigen Wechselrichter bestehende Ringoszillator ausgewählt.
Zeitbereichsvariablen mit Temperaturinformationen können unter Verwendung des Impulsbreitengenerators in der Referenz erhalten werden. Gemäß den Gleichungen (1) und (2) ist die Breite puls_width des Impulses eine Zeitvariable, die sich auf die Temperatur bezieht. Aus der quantitativen Analyse des Wechselrichters und der Temperatur in den Gleichungen (1) und (2) ist die Impulsbreite des Impulses linear mit der Temperatur innerhalb des gemessenen Temperaturbereichs. Die nichtlineare Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz und der Temperatur des Oszillators, der aus den in Reihe geschalteten Wechselrichtern besteht, ist die Hauptursache für Sensormessfehler. Diese Konstruktion verbessert dieses Problem durch Erhöhen des Temperaturkoeffizienten der oszillierenden Ringfrequenz.
1.2 Analyse und Verbesserung des Time-to-Digital-Wandlers
Der Ringoszillator von TDC ist ein zentraler Punkt dieser Konstruktion. Idealerweise sollte der OT völlig unabhängig von der Temperatur sein, um den Quantisierungsfehler zu verringern. Der OT [2], der direkt aus Standardeinheiten auf Gate-Ebene besteht, weist jedoch zwei Probleme auf: Zum einen ist die Frequenz der Schwingungsschleife sehr hoch und zum anderen ist die OT-Schwingung selbst temperaturempfindlich. Eine übermäßige Schwingungsfrequenz führt dazu, dass sich der Schwingungsring selbst stärker erwärmt, was sich durch Temperaturänderungen auf seine eigene Genauigkeit auswirkt. Wenn die Größe der OT-Schwingungsverzögerungseinheit direkt geändert wird, um die Schwingungsringfrequenz zu verringern, ist der Temperaturkoeffizient zu groß, um den Quantisierungsfehler des OT zu erhöhen. Ein OT, der direkt aus Standard- und Gate-Einheiten im Hochtemperaturbereich von mehr als 50 ° C besteht, kann aus den oben genannten Gründen einen übermäßig inakzeptablen Fehler verursachen. Daher ist dieser OT nur für den Einsatz im unteren Temperaturbereich von 0 ° C ~ 60 ° C geeignet. Dies ist das Manko der meisten existierenden verwandten Papiere. Das Hauptziel der Verbesserung dieser Konstruktion besteht darin, diesen Defekt zu verbessern, um ihn für Temperaturmessungen im Bereich von 50 bis 100 ° C besser geeignet zu machen.
In Abschnitt 1.1 wurde erläutert, dass die Schwingungsfrequenz des Schwingrings mit der Anzahl der Stufen des Wechselrichters und der Verzögerung jeder Stufe des Wechselrichters zusammenhängt. Wenn die Anzahl der Stufen des Wechselrichters kleiner ist, ist die Frequenz des Schwingungsrings größer. Bei dieser Konstruktion ist es im Hinblick auf das Problem der Selbsterwärmung der Schaltung im Allgemeinen wünschenswert, die Frequenz des Schwingungsrings so niedrig wie möglich zu halten. Wenn die anderen Bedingungen konstant sind, kann die Frequenz des Schwingungsrings durch Erhöhen der Anzahl der Stufen des Wechselrichters verringert werden. Da die Standard-Zellenverzögerung gering ist, sind einige hundert Wechselrichter erforderlich, um die Oszillationsfrequenz zu erhalten, die vom Zähler abgetastet werden kann, was offensichtlich nicht zumutbar ist. Eine andere Möglichkeit, die Oszillatorfrequenz zu ändern, besteht darin, die Verzögerung D des Wechselrichters zu ändern. Wie bereits erwähnt, ändert dies den Temperaturkoeffizienten des Schwingrings, was zu einer Temperaturdrift führt. Um die Temperaturdrift zu verringern, führt die Konstruktion daher eine Stromspiegeleinheit ein, die den Temperaturkoeffizienten des Wechselrichters aufheben kann.
Der OT in diesem Entwurf verwendet eine Struktur ähnlich der Referenz, wie in der gestrichelten Box in 1 als Schema des TDC gezeigt. Der 8-Bit-Grobzähler zählt den Oszillator [12: 5]. Wenn die fallende Flanke von puls_width kommt, hört der Grobzähler auf zu zählen, und der Teil, der kürzer als eine Zählperiode ist, wird vom Präzisionscodierer verfolgt und in ein 5-Bit-Codewort decodiert. Das Ergebnis der endgültigen Quantisierung ist die Kombination des Ausgangs sowohl des Grobzählers als auch des exakten Codierers.
Die Grundidee dieses Papiers besteht darin, die Temperaturkompensation des Stromspiegels zu verwenden, um den Schwingungsring des OT zu konstruieren, um die Temperaturdrift des OT im überwachten Temperaturbereich zu beseitigen. Der Stromspiegel kompensiert den Leckstrom, um die Lade- und Entladezeit des Transistors zu ändern, wodurch die Verzögerung der Verzögerungseinheit geändert wird. Der OT-Schwingungsring mit Stromspiegel ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Simulationsergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Aus den Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass die Stromspiegelverzögerung dieser Konstruktion einen negativen Temperaturkoeffizienten und die Verzögerung des Wechselrichters aufweist hat einen positiven Temperaturkoeffizienten innerhalb des Messbereichs. Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulation können die Anzahl der Stromspiegelverzögerungseinheiten und Wechselrichter angemessen verteilen, so dass sie eine geringe Temperaturdrift im überwachten Temperaturbereich von 50 ° C bis 100 ° C und das ideale Ergebnis einer akzeptablen Schwingungsfrequenz aufweisen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der oszillierende Ring dieser Struktur den Temperaturbereich der Temperaturdrift nahe 0 einstellen kann, um die Anwendungsanforderungen entsprechend der spezifischen Anwendung und durch Ändern der Größe des Wechselrichters und der Anzahl der Stromspiegel zu erfüllen. Gleichzeitig ist die Schwingungsfrequenz der Struktur im Vergleich zur aus Standardzellen bestehenden Schwingungsringfrequenz deutlich reduziert.
Wie in FIG. In 4 repräsentiert TDC_ringx (x = 1, 2, 3 ...) das Zyklus-Simulationsergebnis des TDC-Oszillationsrings unter verschiedenen Parametern. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Verzögerungseinheit mit Stromspiegel durch Einstellen verschiedener Parameter die Temperaturdrift der Wechselrichter-Verzögerungskette innerhalb eines bestimmten Bereichs ausgleichen kann. Bei dieser Konstruktion wird dieser Bereich zu 50 ° C bis 100 ° C bestimmt.
Da die Schwingung des Oszillators ein gewisses Maß an Eigenerwärmung erzeugt, beeinflusst die Eigenerwärmung einerseits die Genauigkeit der Temperaturerfassung. und bringt andererseits irreversiblen Einfluss auf die Schaltung, wie beispielsweise die Beschleunigung der Alterung der Schaltung. Wenn die Schwingungsfrequenz zu hoch ist, ist die Eigenerwärmung besonders schwerwiegend. Basierend auf diesen Problemen ist das Design so ausgelegt, dass der Wechselrichter im OT-Schwingring richtig dimensioniert wird, um die Frequenz des OT-Schwingrings zu verringern, wodurch die Eigenerwärmung der Schaltung verringert wird. Um das Problem zu lösen, dass der Temperaturkoeffizient des OT aufgrund der Änderung der Größe des Wechselrichters groß wird. Ein Stromspiegel zur Temperaturkompensation wird dem Schwingring des OT hinzugefügt, um die Temperaturdrift des OT innerhalb des Erfassungsbereichs nahe Null zu bringen, wodurch der Sensor die Anwendungsanforderungen erfüllen kann.
1.1 Analyse und Verbesserung der Erfassungsschaltung
Der Erfassungsteil dieses Entwurfs verwendet hauptsächlich die Beziehung zwischen Temperatur und Wechselrichterverzögerung, um die Temperatur in die damit verbundene zeitvariable Impulsbreite puls_width umzuwandeln. Sein Schaltplan ist in Abbildung 2 dargestellt.
Die Verzögerung des Wechselrichters hat die folgende quantitative Beziehung zur Temperatur:
Wobei W und L die Breite bzw. Länge der konstituierenden Transistoren sind; CL und Cox sind Lastkapazität und Oxidschichtkapazität pro Flächeneinheit; μ ist die Beweglichkeit von Elektronen (oder Löchern); VDD und Vth sind die Versorgungsspannung bzw. die Schwellenspannung. Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass die Verzögerung des Wechselrichters mit einer Vielzahl von Parametern zusammenhängt, bei denen die Mobilität μ und die Schwellenspannung Vth temperaturabhängig sind. Die Änderung des Transistor-Seitenverhältnisses verursacht sowohl Änderungen der Schwellenspannung als auch der Lastkapazität. Daher ist die Auswahl der richtigen Transistorgröße für den Erfassungsabschnitt besonders wichtig. Im Vergleich zur Mobilität verursacht die Temperatur eine kleine und im Wesentlichen lineare Beziehung zur Wechselrichterverzögerung, indem sie die Schwellenspannung beeinflusst. In dem in diesem Artikel interessierenden Messbereich von 50 ° C bis 100 ° C kann daher nur der Einfluss der Temperatur auf die Mobilität berücksichtigt werden. Die Mobilität hat einen negativen Temperaturkoeffizienten und ihre spezifische Beziehung ist wie folgt:
Wobei q die Ladung des Elektrons (oder Lochs) ist; m ist die effektive Qualität; T ist die Temperatur; Ni ist die Ionisationsverunreinigungskonzentration; A und B sind relative Koeffizienten. Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Wechselrichterverzögerung umgekehrt proportional zur Mobilität D∝1 / μ ist; Aus der Formel (2) ist ersichtlich, dass die Mobilität umgekehrt proportional zur Temperatur μ∝1 / T ^ a ist (wobei a eine Konstante [4] nahe 1 ist). Aus der Literatur ist bekannt, dass die Frequenz des Ringoszillators F = 1 / (2ND) ist, so dass die Empfindlichkeit der Frequenz des Oszillationsrings gegenüber der Temperatur umgekehrt proportional zum Seitenverhältnis des Transistors ist. Eine übermäßige Schwingungsfrequenz des Schwingungsrings führt zu einem hohen Stromverbrauch und verursacht einen großen Eigenerwärmungseffekt, wodurch die Messung der tatsächlichen Temperatur gestört wird. Das Monte-Carlo-Simulationsverfahren wird verwendet, um ein vernünftiges Verhältnis von Breite zu Länge von PMOS von L / W = 0,3 μ / 0,24 μ zu erhalten, da die Elektronenmobilität etwa das 2,5-fache der von Löchern beträgt. Um die Anstiegs- und Abfallzeit des Wechselrichters auszugleichen, beträgt das Verhältnis von Breite zu Länge des NMOS L / W = 0,3 μ / 0,12 μ. Unter Berücksichtigung der Schwingungsfrequenz und des Temperaturkoeffizienten wird schließlich der aus dem 31-stufigen Wechselrichter bestehende Ringoszillator ausgewählt.
Zeitbereichsvariablen mit Temperaturinformationen können unter Verwendung des Impulsbreitengenerators in der Referenz erhalten werden. Gemäß den Gleichungen (1) und (2) ist die Breite puls_width des Impulses eine Zeitvariable, die sich auf die Temperatur bezieht. Aus der quantitativen Analyse des Wechselrichters und der Temperatur in den Gleichungen (1) und (2) ist die Impulsbreite des Impulses linear mit der Temperatur innerhalb des gemessenen Temperaturbereichs. Die nichtlineare Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz und der Temperatur des Oszillators, der aus den in Reihe geschalteten Wechselrichtern besteht, ist die Hauptursache für Sensormessfehler. Diese Konstruktion verbessert dieses Problem durch Erhöhen des Temperaturkoeffizienten der oszillierenden Ringfrequenz.
1.2 Analyse und Verbesserung des Time-to-Digital-Wandlers
Der Ringoszillator von TDC ist ein zentraler Punkt dieser Konstruktion. Idealerweise sollte der OT völlig unabhängig von der Temperatur sein, um den Quantisierungsfehler zu verringern. Der OT [2], der direkt aus Standardeinheiten auf Gate-Ebene besteht, weist jedoch zwei Probleme auf: Zum einen ist die Frequenz der Schwingungsschleife sehr hoch und zum anderen ist die OT-Schwingung selbst temperaturempfindlich. Eine übermäßige Schwingungsfrequenz führt dazu, dass sich der Schwingungsring selbst stärker erwärmt, was sich durch Temperaturänderungen auf seine eigene Genauigkeit auswirkt. Wenn die Größe der OT-Schwingungsverzögerungseinheit direkt geändert wird, um die Schwingungsringfrequenz zu verringern, ist der Temperaturkoeffizient zu groß, um den Quantisierungsfehler des OT zu erhöhen. Ein OT, der direkt aus Standard- und Gate-Einheiten im Hochtemperaturbereich von mehr als 50 ° C besteht, kann aus den oben genannten Gründen einen übermäßig inakzeptablen Fehler verursachen. Daher ist dieser OT nur für den Einsatz im unteren Temperaturbereich von 0 ° C ~ 60 ° C geeignet. Dies ist das Manko der meisten existierenden verwandten Papiere. Das Hauptziel der Verbesserung dieser Konstruktion besteht darin, diesen Defekt zu verbessern, um ihn für Temperaturmessungen im Bereich von 50 bis 100 ° C besser geeignet zu machen.
In Abschnitt 1.1 wurde erläutert, dass die Schwingungsfrequenz des Schwingrings mit der Anzahl der Stufen des Wechselrichters und der Verzögerung jeder Stufe des Wechselrichters zusammenhängt. Wenn die Anzahl der Stufen des Wechselrichters kleiner ist, ist die Frequenz des Schwingungsrings größer. Bei dieser Konstruktion ist es im Hinblick auf das Problem der Selbsterwärmung der Schaltung im Allgemeinen wünschenswert, die Frequenz des Schwingungsrings so niedrig wie möglich zu halten. Wenn die anderen Bedingungen konstant sind, kann die Frequenz des Schwingungsrings durch Erhöhen der Anzahl der Stufen des Wechselrichters verringert werden. Da die Standard-Zellenverzögerung gering ist, sind einige hundert Wechselrichter erforderlich, um die Oszillationsfrequenz zu erhalten, die vom Zähler abgetastet werden kann, was offensichtlich nicht zumutbar ist. Eine andere Möglichkeit, die Oszillatorfrequenz zu ändern, besteht darin, die Verzögerung D des Wechselrichters zu ändern. Wie bereits erwähnt, ändert dies den Temperaturkoeffizienten des Schwingrings, was zu einer Temperaturdrift führt. Um die Temperaturdrift zu verringern, führt die Konstruktion daher eine Stromspiegeleinheit ein, die den Temperaturkoeffizienten des Wechselrichters aufheben kann.
Der OT in diesem Entwurf verwendet eine Struktur ähnlich der Referenz, wie in der gestrichelten Box in 1 als Schema des TDC gezeigt. Der 8-Bit-Grobzähler zählt den Oszillator [12: 5]. Wenn die fallende Flanke von puls_width kommt, hört der Grobzähler auf zu zählen, und der Teil, der kürzer als eine Zählperiode ist, wird vom Präzisionscodierer verfolgt und in ein 5-Bit-Codewort decodiert. Das Ergebnis der endgültigen Quantisierung ist die Kombination des Ausgangs sowohl des Grobzählers als auch des exakten Codierers.
Die Grundidee dieses Papiers besteht darin, die Temperaturkompensation des Stromspiegels zu verwenden, um den Schwingungsring des OT zu konstruieren, um die Temperaturdrift des OT im überwachten Temperaturbereich zu beseitigen. Der Stromspiegel kompensiert den Leckstrom, um die Lade- und Entladezeit des Transistors zu ändern, wodurch die Verzögerung der Verzögerungseinheit geändert wird. Der OT-Schwingungsring mit Stromspiegel ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Simulationsergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Aus den Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass die Stromspiegelverzögerung dieser Konstruktion einen negativen Temperaturkoeffizienten und die Verzögerung des Wechselrichters aufweist hat einen positiven Temperaturkoeffizienten innerhalb des Messbereichs. Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulation können die Anzahl der Stromspiegelverzögerungseinheiten und Wechselrichter angemessen verteilen, so dass sie eine geringe Temperaturdrift im überwachten Temperaturbereich von 50 ° C bis 100 ° C und das ideale Ergebnis einer akzeptablen Schwingungsfrequenz aufweisen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der oszillierende Ring dieser Struktur den Temperaturbereich der Temperaturdrift nahe 0 einstellen kann, um die Anwendungsanforderungen entsprechend der spezifischen Anwendung und durch Ändern der Größe des Wechselrichters und der Anzahl der Stromspiegel zu erfüllen. Gleichzeitig ist die Schwingungsfrequenz der Struktur im Vergleich zur aus Standardzellen bestehenden Schwingungsringfrequenz deutlich reduziert.
Wie in FIG. In 4 repräsentiert TDC_ringx (x = 1, 2, 3 ...) das Zyklus-Simulationsergebnis des TDC-Oszillationsrings unter verschiedenen Parametern. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Verzögerungseinheit mit Stromspiegel durch Einstellen verschiedener Parameter die Temperaturdrift der Wechselrichter-Verzögerungskette innerhalb eines bestimmten Bereichs ausgleichen kann. Bei dieser Konstruktion wird dieser Bereich zu 50 ° C bis 100 ° C bestimmt.
Da die Schwingung des Oszillators ein gewisses Maß an Eigenerwärmung erzeugt, beeinflusst die Eigenerwärmung einerseits die Genauigkeit der Temperaturerfassung. und bringt andererseits irreversiblen Einfluss auf die Schaltung, wie beispielsweise die Beschleunigung der Alterung der Schaltung. Wenn die Schwingungsfrequenz zu hoch ist, ist die Eigenerwärmung besonders schwerwiegend. Basierend auf diesen Problemen ist das Design so ausgelegt, dass der Wechselrichter im OT-Schwingring richtig dimensioniert wird, um die Frequenz des OT-Schwingrings zu verringern, wodurch die Eigenerwärmung der Schaltung verringert wird. Um das Problem zu lösen, dass der Temperaturkoeffizient des OT aufgrund der Änderung der Größe des Wechselrichters groß wird. Ein Stromspiegel zur Temperaturkompensation wird dem Schwingring des OT hinzugefügt, um die Temperaturdrift des OT innerhalb des Erfassungsbereichs nahe Null zu bringen, wodurch der Sensor die Anwendungsanforderungen erfüllen kann.
