Energy-Efficient Smart Temperature Sensors in CMOS Technology

این کتاب طراحی و اجرای حسگرهای دمای هوشمند (خروجی دیجیتال) کم مصرف انرژی را در فناوری CMOS شرح می‌دهد. برای انجام این کار، یک توپولوژی بازخوانی جدید، یعنی zoom-ADC، ارائه شده است. این یک SAR-ADC درشت را با یک ADC Sigma-Delta (SD) خوب ترکیب می کند. نتیجه دیجیتالی به دست آمده از ADC درشت برای تنظیم سطوح مرجع SD-ADC استفاده می شود، در نتیجه محدوده مقیاس کامل آن را در یک منطقه کوچک در اطراف سیگنال ورودی بزرگنمایی می کند. این تکنیک به طور قابل توجهی محدوده SD-ADC را در مقیاس کامل کاهش می دهد، و به ویژه تعداد چرخه های ساعت مورد نیاز برای وضوح مشخص، و همچنین افزایش DC و نوسان فیلتر حلقه را کاهش می دهد. هم زمان تبدیل و هم راندمان توان را می توان بهبود بخشید که منجر به بهبود قابل توجهی در بهره وری انرژی می شود. دو نمونه اولیه حسگر مبتنی بر BJT بر اساس زوم-ADC های مرتبه اول و مرتبه دوم ارائه شده است. هر دوی آنها در محدوده دمای نظامی (55- تا 125 درجه سانتیگراد) به عدم دقت کمتر از ± 0.2 درجه سانتیگراد دست می یابند. یک نمونه اولیه که قادر به سنجش دما تا 200 درجه سانتیگراد است نیز ارائه شده است. به عنوان جایگزینی برای BJT ها، سنسورهای مبتنی بر MOST های آستانه پویا (DTMOSTs) نیز ارائه می شوند. نشان داده شده است که DTMOSTها قادر به دستیابی به عدم دقت پایین (0.4± درجه سانتیگراد در محدوده دمای نظامی) و همچنین عملکرد زیر 1 ولت هستند، که آنها را برای استفاده در فرآیندهای CMOS مدرن مناسب می کند.

/>

This book describes the design and implementation of energy-efficient smart (digital output) temperature sensors in CMOS technology. To accomplish this, a new readout topology, namely the zoom-ADC, is presented. It combines a coarse SAR-ADC with a fine Sigma-Delta (SD) ADC. The digital result obtained from the coarse ADC is used to set the reference levels of the SD-ADC, thereby zooming its full-scale range into a small region around the input signal. This technique considerably reduces the SD-ADC’s full-scale range, and notably relaxes the number of clock cycles needed for a given resolution, as well as the DC-gain and swing of the loop-filter. Both conversion time and power-efficiency can be improved, which results in a substantial improvement in energy-efficiency. Two BJT-based sensor prototypes based on 1st-order and 2nd-order zoom-ADCs are presented. They both achieve inaccuracies of less than ±0.2°C over the military temperature range (-55°C to 125°C). A prototype capable of sensing temperatures up to 200°C is also presented. As an alternative to BJTs, sensors based on dynamic threshold MOSTs (DTMOSTs) are also presented. It is shown that DTMOSTs are capable of achieving low inaccuracy (±0.4°C over the military temperature range) as well as sub-1V operation, making them well suited for use in modern CMOS processes.