【摘 要】
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频率基准源作为电子系统的重要组成部分为系统提供基准频率。MEMS振荡器凭借体积小、品质因数高等优势,成为未来频率源重要的发展方向。但MEMS振荡器存在温度稳定性较差的问题,尤其是其中较为热门的FBAR振荡器,其输出频率会因环境温度的变化而产生明显的漂移。因此,我们必须补偿温度变化带来的频率漂移,才能提供稳定的基准频率,而这需要通过温度传感器来感知环境温度的变化。本文基于FBAR振荡器温度补偿的应用
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频率基准源作为电子系统的重要组成部分为系统提供基准频率。MEMS振荡器凭借体积小、品质因数高等优势,成为未来频率源重要的发展方向。但MEMS振荡器存在温度稳定性较差的问题,尤其是其中较为热门的FBAR振荡器,其输出频率会因环境温度的变化而产生明显的漂移。因此,我们必须补偿温度变化带来的频率漂移,才能提供稳定的基准频率,而这需要通过温度传感器来感知环境温度的变化。本文基于FBAR振荡器温度补偿的应用场景,根据FBAR振荡器对低功耗、高精度的要求,设计了一种CMOS温度传感器。本文首先介绍了CMOS工艺中寄生BJT器件的基本物理特性,阐述了BJT基CMOS温度传感器的测温原理,然后介绍了常见ADC的工作机制,再详细论述了CMOS温度传感器的系统设计。为了提高测温前端电路的精度,本文采用了斩波运算放大器、βF补偿电路和动态匹配等技术降低了工艺上非理想因素带来的误差。本文选取了将SAR ADC和Sigma-delta ADC结合的缩放式（Zoom）ADC方案,通过SAR ADC完成粗量化并缩小量化区间,Sigma-delta ADC完成细量化的分阶段工作方式,充分利用了SAR ADC速度快和Sigma-delta ADC精度高的优点,放宽了对Sigma-delta ADC的位数要求,降低了电路设计难度。Zoom ADC电路采用了如下设计:第一,通过共用采样积分电路和比较器,将两个ADC融合在一起,简化了电路的设计,降低了系统的功耗;第二,通过采用互补型开关,减少了沟道电荷注入效应带来的误差;第三,采用全差分积分电路,有效减小共模噪声带来的影响;第四,采用了高分辨率的比较器。这些技术使得Zoom ADC的量化精度和整个传感器的测温精度得到改善。本文通过片内时钟电路的设计为系统提供相应的时钟信号,实现了温度传感器在输入单一基本时钟信号驱动下的正常工作,简化了系统的应用复杂程度,便于和其他电路模块实现片上集成。本文基于TSMC 0.18μm RF CMOS工艺在完成了CMOS温度传感器的设计仿真,内部电路核心面积为560μm×330μm。仿真结果表明,在1.8V的电源电压下,电路的静态工作电流为131μA（@27℃）,经过数据处理和两点拟合校正后,在-55℃～125℃的温度范围内测温精度达到±0.5℃,满足了FBAR振荡器对温度传感器的需求。
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