Diseño, simulación y medida de un sensor de temperatura de ultra bajo consumo
Guillermo Antúnez
Master thesis from Universidad de la República (Uruguay). Facultad de Ingeniería. IIE - Jul. 2018
Advisor: Conrado Rossi
Co-advisor: Fernando Silveira
Research Group(s): Microelectronica (gme)
Department(s): Electrónica
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Resumen

Esta tesis contribuye a la línea de trabajo del Grupo de Microelectrónica relacionada a los sensores de temperatura en el marco del desarrollo de ciruitos integrados de Ultra Bajo Consumo (ULP). El presente trabajo apunta al diseño de sensores de temperatura de ULP, cuya arquitectura se basa en el uso de una fuente de corriente con una dependencia particular con la temperatura. Los circuitos polarizados con esta fuente cancelan las dependencias alineales con la temperatura producto de la movilidad de los portadores. Se desarrolló un modelo analítico de la dispersión de la corriente generada por la fuente. Con dicho modelo se implementó un método de diseño que permite para un determinado nivel de dispersión, elegir un área normalizada mínima, disminuyendo la cantidad de transistores necesarios en el diseño. La fuente se utilizó para polarizar los circuitos encargados de generar dos curvas de tensión, una NTC y la otra PTAT, con un perfil en temperatura muy lineal. Los circuitos utilizados resaltan por ser sencillos y junto a un comparador forman el circuito de sensado de temperatura. Se presenta un método de diseño para los circuitos generadores de tensión a partir de sus especificaciones. Se realizó un diseño en tecnología CMOS 130 nm con 1.2 V de tensión de alimentación. El mismo fue simulado con resultados que indican un funcionamiento satisfactorio en el rango de 0 °C a 80 °C. Dicho diseño fue fabricado en un área aproximada de 0.08 mm2 y se realizaron una serie de medidas para obtener conclusiones sobre el desempeño de la fuente de corriente y el sistema completo como sensor de temperatura. Las medidas de la fuente de corriente arrojan buenos resultados desde el punto de vista de la media y dispersión comprobando la utilidad del modelo de dispersión para el diseño. En cuanto al sensor de temperatura, se realizaron medidas barriendo el rango de 310 K a 370 K en el que se verificó su funcionamiento con algunas limitaciones, discutiendo sus causas. El consumo del sensor se midió en el mismo rango, obteniendo 137 nA a 370 K. A modo de referencia, el consumo simulado a 25 °C resulta aproximadamente 115 nA.

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