Techniques for ultra low power integrated temperature sensors
Conrado Rossi
PhD thesis from Universidad de la República (Uruguay). Facultad de Ingeniería. IIE - 2013
Advisor: Carlos Dualibe
Co-advisor: Fernando Silveira
Research Group(s): Microelectronica (gme)
Department(s): Electrónica
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Resumen

La tendencia reciente del desarrollo de la microelectrónica lleva a la reducción agresiva del tamaño de algunos sistemas al punto de que pasen desapercibidos, incluso cosechando energía del medio ambiente para su funcionamiento. Para posibilitar ese escenario es necesaria una importante disminución del consumo de cada circuito. En el caso de los sensores de temperatura integrados, la investigación en general se ha centrado en optimizar otros parámetros, en particular rango de temperaturas y resolución. Esta tesis explora los límites de consumo de los sensores de temperatura integrados aportando contribuciones novedosas en su arquitectura, en los circuitos que la implementan y en considerar la dependencia con la temperatura en modelos compactos de dispositivos, adecuados para el diseño en todas las zonas de inversión. Inicialmente se presenta un análisis sistemático de la dependencia con la temperatura en un modelo compacto (ACM) del transistor MOS. En este sentido aporta una distinción novedosa entre parámetros fundamentales y derivados que permite introducir fácilmente la variación conla temperatura en las ecuaciones usuales del modelo. El uso de una referencia de corriente proporcional a la corriente de normalización del modelo ACM permite el diseño de circuitos que trabajan con un nivel de inversión constante, independiente de la temperatura. De esa forma se elimina la dependencia alineal con la temperatura proveniente de la movilidad de los portadores. Se introducen nuevos métodos de análisis y diseño para estas fuentes de corriente de nivel de inversión constante válidos en forma continua desde inversión débil hasta fuerte. Además se demuestra que la combinación de esta corriente con circuitos sencillos permite obtener generadores de tensión con dependencia muy lineal con la temperatura, coeficientes de variación tanto positivos como negativos y también una fuente de tensión constante. Todas estas propiedades se verifican experimentalmente. En base a dichos circuitos se presenta una arquitectura de sensor de temperatura novedosa, un método de diseño para la misma y se desarrolla un ejemplo que fue fabricado en una tecnología CMOS de 0.35 um y verificado exitosamente. Se presentan medidas exhaustivas sobre el mismo incluyendo linealidad, dispersión de las medidas y consumo. Una de las muestras presenta +-2.2. K de incertidumbre total en un rango de 310 K a 360 K (37º C a 87º C) consumiendo 533 nA. Asimismo se desarrolló un modelo, con aspectos novedosos, del efecto del ruido en los circuitos sobre la dispersión de las medidas que también fue verificado experimentalmente. Además del sensor medido, se propone un diseño mejorado en cuanto a consumo y dispersión de las medidas. Ambos diseños se comparan con resultados de investigación publicados y se introducen funciones de mérito alternativas. El sensor propuesto tiene una incertidumbre estimada de +-0.8 K en un rango de 310 K a 360 K con un consumo de 53 nA cuando se toma una muestra cada 10 segundos. Esta es una combinación excelente de consumo e incertidumbre, comparable a los mejores resultados de la literatura.

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