0 مقدمة

وعادة ما يتم تحويلها التقليدية استشعار درجة الحرارة درجة الحرارة تصميم أول من الإشارات التناظرية، ومن ثم الإشارة الرقمية للحصول من جانب ADC (محول تناظري رقمي). ولكن مع تطوير تطبيقات جديدة لإدارة الحرارية رقاقة، والربط الشبكي وهلم جرا، واستهلاك الطاقة للجهاز استشعار درجة الحرارة، وجوانب التوافق منطقة الدوائر الرقمية وارتفاع الطلب المطروحة. ويمكن أن تكون متكاملة وأكثر من ذلك، وأكثر اندماجا كبيرا في اتجاه المصممين بدأت لاستكشاف استشعار درجة الحرارة الرقمية. ساعة مع منطقة استشعار درجة الحرارة نطاق، وانخفاض استهلاك الطاقة، وسهولة الاستخدام، وما شابه ذلك لتحقيق مزايا الأجهزة الرقمية، والاهتمام في الآونة الأخيرة اجتذبت .

هناك العديد من الدراسات في المجال الزمني استشعار درجة الحرارة، كما هو موضح في الوثيقة استنادا إلى تأخير سلسلة واحدة المقترحة في المجال الزمني، واستشعار درجة الحرارة وثيقة استنادا الى اثنين من سلاسل تأخير جهاز استشعار درجة الحرارة في نطاق الوقت. أنهم جميعا لديهم بسيط نسبيا مبدأ قياس درجة الحرارة، ولكن بحاجة الى مزيد من محولات تشكل سلسلة تأخير طويلة جدا لتلبية احتياجات نطاق القياس ودقة. نوع آخر من الزمن حلقة استشعار درجة الحرارة مذبذب المستندة إلى مجال، مثل وثيقة وثيقة اقترح كل الرقمية استشعار درجة الحرارة على أساس مذبذب حلقة واحدة، وهذا النوع من درجة حرارة دقة قياس الاستشعار من 80 أدناه أعلى. وثيقة المقترحة حساسية اثنين حرارة مختلفة من حلقة طريقة مذبذب الاستشعار للقضاء على نفوذ امدادات التيار الكهربائي والمعلمات الدائرة عن طريق ضبط حجم اثنين من الترانزستورات من مذبذب الحلبة وأخذ نسبة من تردداتها، مما يقلل من الخطأ قياس درجة الحرارة.

إدارة الحرارية تطبيق سيناريوهات المعالج، وعادة 50 درجة.] C دقة من قسم ارتفاع درجة الحرارة من أكثر أهمية، جهاز استشعار درجة الحرارة تعتبر عموما منخفضة جدا لذلك. واستنادا المرجعي وثيقة من تكوين الدائرة، لتحسين جزء الاستشعار الموجودة لمعامل درجة الحرارة أقل والمشاكل درجة الحرارة الانجراف TDC، لذلك أن الدائرة قاء نطاق درجة حرارة عالية من خلاله التركيز على رصد دقة متطلبات محددة التطبيق.

درجة الحرارة الأولى استشعار المجال الزمني تتطلب المعلومات درجات الحرارة إلى معلومات الوقت، ومذبذب الدائري هو وسيلة لتحويل درجة الحرارة وقت متغير المجال. وفقا للأدب يمكن أن ينظر إليه، ودرجة الحرارة من العاكس وتأخير هي علاقة خطية. تدابير تردد المحول الرقمي (الوقت إلى رقمي محول، TDC)، درجة حرارة التحويل النهائي لكلمة السر الرقمية - عبر الزمن. لمزيد من تعزيز دقة، تحتاج عادة لتكون محسوبة على البيانات المحولة. وبالإضافة إلى ذلك، معايرة الجهد امدادات الطاقة ويمكن أيضا أن قياس تحقيق مرارا وتكرارا من خلال السعي التباين. هيكل الدائرة الرئيسي للاستشعار درجة الحرارة يعتمد على المجال الوقت مع التعويض درجة الحرارة المحول هو مبين في الشكل (1).

1.1 تحليل وتحسين دائرة الاستشعار

تصميم الجزء الرئيسي من الاستشعار من درجة حرارة العلاقة درجة حرارة العاكس تأخير المتعلقة وقت إلى متغير pulse_width عرض النبض. مخطط الرسم البياني هو مبين في الشكل 2.

رأيت، هناك وثيقة الكمية العلاقة ودرجة حرارة تأخير العاكس:

حيث W، L التوالي، بعرض الترانزستور والطول؛ CL وكوكس هي أكسيد تحميل السعة السعة وفي وحدة المساحة، [مو] هو إلكترون (أو ثقب) التنقل، وVDD وVTH هي الجهد امدادات الطاقة وعتبة الجهد . وكما يتبين من الصيغة، وعدد وافر من محولات تأخير المعلمات ذات الصلة، هذه المعلمات في معدل الهجرة وعتبة الجهد VTH تتأثر درجة الحرارة. تغيير العرض إلى نسبة طول الترانزستور في حين تسبب في تغيير الجهد عتبة والسعة الحمل، وبالتالي تحديد الحجم المناسب من الترانزستور مهم بشكل خاص للجزء الاستشعار عن بعد. مقارنة التنقل، والتغيرات في درجات الحرارة والجهد عتبة تأخير العاكس يسبب أقل وإلى حد كبير الخطية . وهكذا في 50 ~ 100 لقياس مدى الفائدة من هذا القانون، يمكن أن تركز على تأثير درجة الحرارة للتنقل. التنقل جود معامل درجة الحرارة السلبية، وعلاقة محددة كما يلي:

حيث ف هو الإلكترون (أو حفرة) من المبلغ مقابل؛ m الكتلة الفعالة؛ T هي درجة الحرارة؛ والمتأينة تركيز الشوائب ني، A و B هي معاملات النسبية. بواسطة الصيغة (1) يمكن أن ينظر إليه: التأخير العاكس يتناسب عكسيا مع التنقل D1 / ، (2) يتضح من صيغة: العلاقة الطبقة التنقل عكسية مع درجة حرارة 1 / T ^ أ (حيث هو على مقربة المستمر ل1. )، المعروفة من الكتب ، تردد رنين مذبذب F = 1 / (2ND)، بحيث تردد مذبذب الحلبة، ونسبة العرض إلى الارتفاع حساسية يتناسب عكسيا مع درجة حرارة الترانزستور. حلقة تيرة التذبذب هو نتيجة عالية جدا في قوة كبيرة مما تسبب في تأثير كبير تسخين الذاتي، وبالتالي التدخل في قياس درجة الحرارة الفعلية. مونتي كارلو طريقة المحاكاة باستخدام PMOS حصلت أخيرا عرض المعقول أن طول نسبة L / W = 0.3 / 0.24 ، منذ حركة الإلكترون من الثقوب حوالي 2.5 مرة من الوقت الارتفاع والوقت سقوط معادلة العاكس، عرض الآثار NMOS إلى نسبة طول L / W = 0.3 / 0.12 . وبالنظر إلى معامل درجة الحرارة من وتيرة التذبذب والاختيار النهائي للجزء الاستشعار التي تشكل حلقة مذبذب 31 من العاكس.

باستخدام المرجعي في عرض النبضة يمكن الحصول عليها عندما يكون متغير الحقل مولد بالمعلومات درجة الحرارة. الصيغة (1)، وصيغة (2)، نبض العرض هي المرة pulse_width المتغير ذات الصلة درجات الحرارة. (2) التحليل الكمي لدرجة حرارة العاكس يمكن أن ينظر إليه من صيغة (1) حيث عرض نبض النبض في درجة الحرارة المقاسة مع درجات الحرارة في شكل علاقة خطية. العاكسون تنتهي بالتسلسل إلى علاقة نهاية تيرة التذبذب غير الخطية من مذبذب تتألف من درجات الحرارة تسبب المصادر الرئيسية للخطأ قياس الاستشعار، والتي تهدف إلى تحسين الحاضر هذه المشكلة عن طريق زيادة معامل درجة الحرارة من وتيرة التذبذب من الحلبة.

الساعة 1.2 - المحول الرقمي التحليل والتحسين

TDC عصابة مذبذب هو محور هذا التصميم. من الناحية المثالية، ينبغي أن TDC تكون مستقلة تماما عن درجة الحرارة وذلك للحد من الخطأ تكميم. ولكن مباشرة من الوحدات القياسية بوابة مستوى TDC مشكلتين - حلقة واحدة مذبذب تردد مرتفع جدا، والثاني TDC التذبذب نفسها حساسة نسبيا لدرجة الحرارة. عالية النتائج تيرة التذبذب في الحرارة أعلى من مذبذب عصابة، مما يؤثر على دقة من خلال تغير في درجة الحرارة. إذا كان TDC متفاوتة بشكل مباشر على حجم وحدة تأخير للحد من وتيرة مذبذب عصابة تتأرجح، فإن معامل درجة الحرارة يسبب أخطاء تكميم المفرطة مما يزيد من TDC. TDC تشكل مباشرة من قبل وحدة بوابة القياسية، في درجة حرارة عالية المدى تتجاوز 50 للأسباب المذكورة أعلاه يؤدي إلى أخطاء كبيرة بشكل غير مقبول. ولذلك فإن هذا لا ينطبق إلا في TDC 0 ~ 60 في نطاق درجة حرارة أقل. هذا هو الحد من وجود أكثر من ورقة القائمة ذات الصلة . كيفية تحسين هذا العيب لجعلها أكثر ملاءمة لقياس درجة الحرارة في حدود 50 ~ 100 هو تحسين تصميم الأهداف الرئيسية في الوقت الحاضر.

في القسم 1.1، وقد سبق بيان حول تأخر وتيرة العاكس تتأرجح من المراحل عصابة مذبذب، ولكل مرحلة من مراحل العاكس، العاكس صغير عندما يكون عدد من المراحل، كلما زاد تردد مذبذب الحلبة. في هذا التصميم، مع الأخذ بعين الاعتبار مشكلة تسخين الذاتي من الدوائر، وتردد مذبذب عصابة أمر مرغوب فيه عموما عند أدنى مستوى ممكن. عندما تكون الظروف الأخرى على حالها، تردد مذبذب عصابة يمكن تخفيض عن طريق زيادة عدد مراحل المحولات. لأن وحدة تأخير هو معيار صغير، ترغب في الحصول على وصفة طبية يمكن أخذ عينات تردد التذبذب يتطلب مئات المحولات، لذلك فمن غير المعقول. وهناك طريقة أخرى لتغيير تردد مذبذب من العاكس لتغيير تأخير D، والمذكورة أعلاه، سيؤدي ذلك إلى تغيير معامل درجة الحرارة في حلقة التذبذب، وبالتالي توليد الانجراف. ولذلك، من أجل الحد من الانجراف، وإدخال وسائل مرآة الحالية مصممة لتعويض معامل درجة الحرارة من العاكس.

تصميم TDC، واستخدام المرجعي هيكل مماثل، كما هو مبين في الشكل. المبدأ 1 TDC داخل مربع متقطع في FIG. 8 بت مذبذب مكافحة الخشنة العد . عندما وصول هبوط pulse_width الحافة، ومكافحة الخشنة توقف العد، هذه الفترة الزمنية هي أقل مما هو تتبع جزء من العد وفك الى كلمة السر دقة التشفير 5-بت. الخشنة النهائية تكميم نتيجة من الناتج المشترك لكلا عدادات الدقة التشفير.

الفكرة الأساسية من هذا هو لبناء مذبذب عصابة للقضاء على TDC وTDC رصد لدرجات الحرارة من قبل التعويض درجة الحرارة الانجراف المرآة الحالية. مبدأ عمل المرآة الحالية هو للتعويض عن التسرب الحالي إلى تهمة والتفريغ مرة من الترانزستور يتم تغيير، وبالتالي تغيير تأخير وحدة تأخير. TDC عصابة مذبذب تضم مرآة الحالية هو مبين في الشكل (3)، أظهرت نتائج المحاكاة في الشكل. من نتائج المحاكاة، وتصميم مرآة الحالية وجود معامل درجة الحرارة السلبية للتأخير، وتأخير العاكس وجود معامل درجة الحرارة إيجابي في نطاق القياس. عدد معقول تعيين تأخير مرآة الحالي للوحدة العاكس من نتائج المحاكاة مونت كارلو، أن لديها انحراف أصغر في نطاق درجات الحرارة رصدها من 50 ~ 100 ، وعلى مدى مقبولة نتيجة التذبذب تردد. وتبين نتائج المحاكاة أن هيكل مذبذب عصابة يمكن تعديل والانجراف بالقرب من درجات حرارة تتراوح بين 0 إلى تلبية احتياجات التطبيق عن طريق تغيير حجم العاكس ومرآة الحالية وفقا لعدد من تطبيق معين. وفي الوقت نفسه، كانت وتيرة التذبذب من وتيرة التذبذب من الحلبة لهيكل وتكوين الخلية القياسية انخفض بشكل كبير مقارنة.

4، TDC_ringx (س = 1،2،3 ...) ممثل نتائج المحاكاة دورة تحت معلمات مختلفة عصابة TDC مذبذب. وتبين نتائج المحاكاة أن من خلال تعديل معايير مختلفة يمكن أن يتم مع وحدة الحالية مرآة تأخير درجة الحرارة تعويض سلسلة الانجراف العاكس تأخير داخل نطاق معين. في هذا التصميم، وتحديد مجموعة من 50 ~ 100 .

منذ التذبذب للمذبذب سوف تنتج بعض التدفئة الذاتية، لأن الحرارة على واحد من جهة تؤثر على دقة الكشف عن درجة الحرارة، من ناحية أخرى أن تحدث تأثيرات لا يمكن الرجوع عنها إلى الدائرة، مثل الإسراع في دائرة الشيخوخة، وما شابه ذلك. عندما تردد التذبذب مرتفع جدا، والتدفئة الذاتية خطيرة بشكل خاص. وبناء على هذه المشاكل، والحاضر تصميم الحجم المناسب TDC العاكس في مذبذب عصابة للحد من وتيرة TDC عصابة مذبذب، مما يقلل من الدوائر تسخين النفس. من أجل حل العاكس لتغيير حجم TDC بسبب مشكلة معامل درجة الحرارة الكبيرة، في TDC عصابة مذبذب يضاف لتعويض درجة الحرارة بحيث مرآة TDC الحالي الانجراف درجة الحرارة في ختام اكتشاف مجموعة إلى 0، بحيث استشعار تصل إلى متطلبات التطبيق.

2 نتائج محاكاة الدوائر والمناقشة

2.1 السلطة محاكاة الدوائر والقوة حسابات الكثافة

في هذا التصميم، ودرجة حرارة محددة سلفا قياس مدى في حدود 50 ~ 100 خطأ أقل من -2.8 ~ 3.8 . بعد قوة TDC تعديلها وتحسينها المرجعي كما هو مبين في الجدول رقم 1 على حلبة استهلاك الطاقة، مثل كما هو مبين في نتائج المحاكاة.

وكما يتبين من الجدول رقم 1 تحتوي على استهلاك الطاقة TDC مقارنة مع مرآة الإشارة الحالية قد انخفضت بشكل ملحوظ، ويرجع ذلك أساسا في الحالة التي يكون فيها السعة الطفيلية بسبب الاعتبار، وديناميكية السلطة صيغة مذبذب ع = Vdd2fC أظهرت وجود علاقة إيجابية بين التردد واستهلاك الطاقة، عن طريق الحد من وتيرة يمكن خفض كبير في استهلاك الطاقة.

ترتبط ارتباطا مباشرا كثافة الطاقة تسخين الذاتي، أي قوة في وحدة المساحة. ، ويمكن حساب مساحة الدائرة المحاكاة واستهلاك الطاقة من الدائرة كثافة الطاقة على أساس هذه النتائج الدائرة. كما هو مبين في الجدول رقم 2، عن طريق حساب واضح كثافة الطاقة تصميم TDC الحاضر التصميم المرجعي فقط عن 45. وهذا يدل على نتيجة من شأنها أن هيكل التصميم الحالي فعالا في الحد من تدخل الحراري من نتائج القياس.

المعالم الرئيسية للدائرة الاستشعار محاكاة 2.2

الكمية العلاقة تردد رنين المذبذب مع درجة الحرارة بنسبة 1.1 يفهم مناقشة، وتردد مع علاقة درجة الحرارة الخطية، ونتائج المحاكاة هو مبين في الشكل. يوضح الشكل، لمختلف الزاوية العملية، والعلاقة بين التردد ودرجة الحرارة خطي نوع، لتلبية متطلبات التصميم.

ذات الصلة درجة الحرارة في الوقت متغير التي حصل عليها pulse_width استشعار جزء، نتائج المحاكاة التي تم الحصول عليها قياسات درجات الحرارة كما هو مبين في الشكل. 6 بعد TDC تكميم بواسطة معايرة نقطتين. كما يمكن أن يرى، في درجة حرارة تتراوح من 50 ~ 100 ، الخطأ قياس القياسات استشعار لتلبية الطلب.

تتم مقارنة درجة الحرارة المقاسة مع قيمة درجة الحرارة القياسية، يمكن الحصول على خطأ القياس، كما هو مبين في الشكل. كما يمكن أن يرى في الشكل. 7، والانحراف الطفيف في درجات الحرارة في حدود 50 ~ 100 ، والحد الأقصى الخطأ هو فقط -2.8 . هذا الخطأ هو صغير لمتطلبات التصميم يجتمع في مجموعة قياس محددة سلفا.

3 الخاتمة

في هذه الورقة جعلت تأثير درجة الحرارة على أداء الدائرة استشعار درجة الحرارة في تحسين المجال الزمني المقابلة. هناك نوعان من التحسن الرئيسي للدائرة، حيث أولى أحجام الاستشعار الترانزستور عن طريق تغيير معامل درجة حرارة الجزء مذبذب توسيعه، حتى يتسنى للتصميم قادرة على تلبية متطلبات دقة التطبيق. المذبذب الدائري الثاني عن طريق تحسين هيكل TDC، وزيادة مرآة الحالية وجود تعويض الحالي يتسبب في وثيقة TDC الانجراف إلى الصفر في نطاق السيطرة قياس، في حين خفض وتيرة TDC دائرة التذبذب مما يقلل من استهلاك الطاقة والتدفئة الذاتية. وأخيرا، يتم تقليل خطأ القياس على نطاق مقبول في نطاق درجات الحرارة. من خلال المقارنة بين العروض المحاكاة التي تصميم المرجعي ذاتية الحرارة بالمقارنة مع أكثر من النصف. كما يمكن أن يرى، مع التعويض درجة الحرارة للحد من تأثير أخطاء القياس تأخير واحدة بفضل مزاياه في المزيد من الاهتمام في جهاز استشعار المستقبل.

مراجع

WATANABE T، TERASAWA T.All الرقمي TAD ADC في جهاز استشعار التكنولوجيا الرقمية لتحجيم على نطاق واسع درجة الحرارة .IEEE مجسات، 2015: 1-4.

تشونغ C C، autocalibrated يانغ C R.An استشعار درجة الحرارة alldigital للرصد الحراري على رقاقة المعاملات .IEEE على الدوائر والنظم الثاني: عبر عن موجزات، 2011،58 (2): 105-109.

تشونغ C C، C يانغ R.An كل الرقمية الذكية استشعار درجة الحرارة مع لصناعة السيارات في معايرة في 65 نانومتر تكنولوجيا CMOS 0.2010 ندوة IEEE الدولية على الدوائر والنظم، 2010: 4089-4092.

ANAND T، KOFI A M، HANUMOLU P K، وآخرون al.A VCO المستند إلى مستشعر درجة الحرارة الرقمية عالية مع 0.034 حساسية العرض / بالسيارات .IEEE مجلة الدوائر الحالة الصلبة، 2016،51 (11): 2651-2663.

DRAJE A، FLOYD M S، WILLAMAN R، وآخرون al.Single دورة على شكل نبض رصد المسار الحرج في POWER7 + الجزئي المعالج .Proceedings الندوة الدولية 2013 منخفضة الطاقة والالكترونيات تصميم، ISLPED، 2013: 193-198.

CHEN C C، LU W F، TSAI C C، وآخرون al.A الوقت إلى الرقمية المستندة إلى تحويل-CMOS درجة الحرارة الاستشعار الذكية .IEEE مجلة الدوائر الحالة الصلبة، 2005،40: 1642-1648.

WOO K، MENINGER S، XANTHOPOULOS T، وآخرون CMOS أساس al.Dual-DLL-كل الرقمية استشعار درجة الحرارة للرصد الحراري المعالج الصغير الدوائر الحالة الصلبة .IEEE الدولي للمؤتمرات-خلاصة الأوراق الفنية 2009: 68-69،69a.

تشن Xingbi، في تشانغ يونغ، والأجهزة الدقيقة الأخرى بكين: الصناعة الالكترونية برس، 2011.

رضوي B.Design التناظرية CMOS الدوائر المتكاملة .McGraw هيل التعليم، 2000.

الكاتب المعلومات:

Limeng يو، وهوانغ لوت، LI تشيانغ

(معهد العلوم الالكترونية والهندسية، جامعة العلوم الالكترونية ونظام دمج التكنولوجيا، وتشنغدو 610054، الصين)