臺灣博碩士論文加值系統

溫度感測已逐漸成為生醫應用和電子產品的重要電路方塊，透過溫度感測可以提高生物分子檢測的精確度及電子電路性能的穩定度。在半導體製程技術日新月異的今日，溫度感測已可積體化於系統電路中。在論文第一部份將介紹電壓輸出的CMOS溫度感測器，該電路是以帶差參考電路原理為基礎，將其不隨溫度變化的穩定參考電流源提供給感測電路，本論文提出一種可切換的串接雙極性接面電晶體架構來當感測溫度元件。我們設計兩種型態來比較其各優缺點，分別為平均型、高線性型，並逐步設計成改良型，最後集結合所有修正線性、溫度誤差技術和感測器架構設計出高精準型CMOS溫度感測器，其整體20~100℃的溫度誤差為±0.3℃、線性誤差僅±0.031%。
第二部分是描述操作於次臨界傳導頻率輸出的低功率溫度感測器，該電路是由一個正比於絕對溫度的電流產生器和鎖相迴路所構成，最後將輸出正比於絕對溫度的時脈頻率，實測操作溫度範圍為10~80℃，其極低的消耗功率不到1uW、線性度誤差僅0.4%、溫度誤差僅±1.27℃。本篇論文所設計的溫度感測器是使用TSMC 0.35 μm 2P4M mixed-signal CMOS製程來實現。

Temperature sensors have gradually become the important building block of the circuits for biomedical applications and electronic products. The temperature sensing can enhance the precision of biological molecular detection and the stability of the performance of electronic circuits. Nowaday, because of the advanced development of semiconductor process technology, temperature sensors have successfully been integrated in circuits and systems. In the thesis, at first, a CMOS temperature sensor with voltatge output is presented. This circuit is based on a bandgap reference circuit. The stable current source, which current is nearly independent of temperature, is supplied to the sensor circuit. A switchable cascoded configuration of bipolar junction transistor is used as a temperature sensor. Two types, which are named average-type and high-linearity-type, were designed and their performances were compared. Based on these experiment results, an improved CMOS temperature sensor with high precision is also presented by using techniques for linearity correction and temperation error correction and design concept for sensor topology. The sensitivity is -4mV /℃, the linear error is only ± 0.031%, the temperature error is only ± 0.3℃ for the temperature range of 20~100℃.

The second part describes the low-power temperature-to-frequency converter, which consists of MOSFETs operating in subthreshold region. The circuit is composed of a current generator, which current is proportional to absolute temperature (PTAT), and a frequency-locked loop. The circuit generates a PTAT clock frequency. The power consumption is extremely low and is less than 1 uW, the linear error is only ± 0.4%, the temperature error is ±1.27℃ for the temperature range of 10 ~80℃. In this work, temperature sensors were implemented in TSMC 0.35μm 2P4M mixed-signal CMOS processes.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 x
符號說明 xv
第一章緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2章節提要 2
第二章電壓輸出之CMOS溫度感測器 3
2.1CMOS帶差參考電路原理介紹 3
2.1.1負溫度係數 4
2.1.2正溫度係數 7
2.1.3CMOS帶差參考電路 9
2.2MOS溫度感測原理介紹 10
2.2.1基本溫度感測器考量因素 12
2.2.2BJT雙極性接面電晶體之溫度感測器 13
2.3平均型之CMOS帶差溫度感測器 15
2.3.1啟動電路 17
2.3.2運算放大器 18
2.3.3CMOS帶差參考電路 20
2.3.4BJT溫度感測電路 23
2.4高線性型之CMOS帶差溫度感測器 32
2.4.1運算放大器 34
2.4.2CMOS帶差參考電路 35
2.4.3BJT溫度感測電路和疊接PMOS 37
2.5平均型、高線性型之CMOS帶差溫度感測器之數據比較 45
2.6CMOS帶差溫度感測器之改良 48
2.6.1高階曲線效應-VBE之非線性誤差 48
2.6.2改良型之CMOS帶差溫度感測器 50
2.6.3運算放大器 52
2.6.4CMOS帶差參考電路 53
2.6.5BJT溫度感測電路 55
2.7高精準型之CMOS帶差溫度感測器 60
2.7.1運算放大器 62
2.7.2CMOS帶差參考電路 62
2.7.3新BJT溫度感測電路 64
第三章頻率輸出之CMOS溫度感測器 69
3.1次臨界傳導原理介紹 69
3.1.1MOS的操作模式 70
3.1.2次臨界的設計考量 74
3.2次臨界傳導-溫度對頻率轉換之CMOS溫度感測器 78
3.2.1OTA運算放大器 80
3.2.2PTAT電流產生器 82
3.2.3電流比較器 85
3.2.4壓控振盪器 86
3.2.5頻率對電流轉換器 87
第四章頻率/電壓輸出之CMOS溫度感測器量測結果與佈局 90
4.1電壓輸出之CMOS帶差溫度感測器量測結果與佈局 90
4.1.1量測平均型之CMOS帶差溫度感測器 90
4.1.2量測高線性型之CMOS帶差溫度感測器 94
4.1.3待量測改良型之CMOS帶差溫度感測器 98
4.1.4待量測高精準型之CMOS帶差溫度感測器 99
4.2頻率輸出之CMOS溫度感測器量測結果與佈局 100
4.2.1量測次臨界傳導-溫度對頻率轉換之CMOS溫度感測器 100
4.3效能比較 104
第五章結論與未來展望 105
參考文獻 107
簡歷 109

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