por Jefferson M. da C. Dantas Nov/2008

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Índice ntrodução mplementação Resultados Conclusões Referências Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 2

ntrodução Sensor ntegrado Tecnologia CMOS Motivação: Baixo consumo Fabricação usando tecnologia padrão dos circuitos digitais Pode ser facilmente integrado junto aos SoCs Systems on Chip Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 3

ntrodução Sensor ntegrado Tecnologia CMOS Aplicações: Dispositivos biomédicos, controle de aquecimento de equipamentos eletrônicos, sensoriamento remoto, etc. Figura: Diagrama de blocos de um sensor inteligente Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 4

mplementação Figura: Construção de um sensor de temperatura (PTAT) usando: a) transistores bipolares; b) MOSFETs. Para o TJB: Para o MOSFET em inversão fraca : C V BE / V T T = Se VGS / V D 0e Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 5

mplementação Vx Vx Figura: Construção de um sensor de temperatura (PTAT) usando: a) transistores bipolares; b) MOSFETs. X C Para o TJB: BE = S e V BE / V T V = V V = T k ln( q S 2 1 BE 2 S1 ) Para o MOSFET em inversão fraca : V = V V = X D 0 e V GS / V T T k ln( q GS1 GS 2 02 01 ) Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 6

mplementação Vout Vx Vx N5 N1 N2 N3 N4 Figura: Construção de um sensor de temperatura (PTAT) usando: a) transistores bipolares; b) MOSFETs. Expressão de saída: V = V V = X V out = T k ln( q GS1 GS 2 2nk T q S 3 S ln S4 S 2 1 02 01 ) Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 7

mplementação Vout Problema!!! Vx Vx N5 N1 N2 N3 N4 Terminais de Fonte (Source) e Substrato (Bulk) no mesmo potencial: Figura: Construção de um sensor de temperatura (PTAT) usando: a) transistores bipolares; b) MOSFETs. Limitação Tecnológica. Expressão de saída: V = V V = X V out = T k ln( q GS1 GS 2 2nk T q S 3 S ln S4 S 2 1 02 01 ) Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 8

mplementação Limitação Tecnológica NMOS PMOS PMOS NMOS Figura: Estrutura física em silício para os transistores MOS do tipo P e N implementados com: a) Tecnologia padrão convencional; b) Tecnologia Triple-Well Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 9

mplementação Solução Adotada Expressão de saída: V TS = VDD 2nk T q S 3 ln S4 S S 2 1 Tabela: dimensão dos transistores utilizados W/L W/L P1 45μm/0.6μm P2 360μm/0.6μm P3 4μm/25μm P4 4μm/350μm P5 120μm/1μm P6 400μm/1μm Figura: Diagrama esquemático do sensor N1, N2 e N3: três matrizes 8x4 de transistores associados em série-e-paralelo, com L=1.2μm e W=1.2μm cada, totalizando 96 MOSFETs. Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 10

mplementação Solução Adotada Figura: Layout do circuito Figura: Diagrama esquemático do sensor Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 11

Resultados Função transferência do circuito Figura: Tensão de saída em função da temperatura Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 12

Resultados Sensibilidade do transdutor Figura: Variação da sensibilidade em função da temperatura, para o caso típico e os corner cases Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 13

Resultados nfluência da Alimentação sobre a operação do circuito Figura: Variação da sensibilidade em função da tensão de alimentação Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 14

Resultados Resolução da Medição Figura: Variação da resolução em função da temperatura Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 15

Resultados Análise de Monte Carlo para a sensibilidade do transdutor Figura: Histograma de ocorrências por faixa de sensibilidade Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 16

Resultados Resumo das características do sensor / transdutor Tabela: resumo geral das características do sensor Tensão de saída Sensibilidade Resolução Erro máximo Tensão de alimentação Potência consumida Tecnologia usada Área ocupada em silício 2.18V (para 35ºC) -8.47 mv/ C (± 0.44 mv/ C) 0.004ºC 1.65% para faixa de -30ºC a 80ºC 3.74% para faixa de -80ºC a 90ºC 5.0V (± 0.5V) ~10μW (para 5V de alimentação) AMS 0.5 microns 0.035mm² Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 17

Conclusões Desenvolveu-se um circuito integrado capaz de medir variações de temperatura, usando tecnologia CMOS padrão. O sensor apresentou baixa potência consumida, alta sensibilidade, e boa linearidade dentro de uma faixa restrita. Há um compromisso de projeto entre potência consumida, sensibilidade e área ocupada. As variações no processo de fabricação podem acarretar em mudanças nas características do sensor devido aos diferentes pontos de operação. Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 18

Referências [1] J. M. C. Dantas and F. Rangel Sousa, Design of a CMOS Temperature Sensor using the ACM model in Students Forum 21th SBCC, Gramado/RS, Sep 2008. [2] J. M. C. Dantas, H. J. B. Costa, J. P. M. Dantas, F. A. Brito Filho, F. Rangel Sousa and R. C. S. Freire, Low Power High Responsivity CMOS Temperature Sensor in ²MTC 2008, Victoria, Canada, pp. 1234 1238, May 2008. [3] T. Ohzone, T. Sadamoto, T. Morishita, K. Komoku and H. wata, A CMOS Temperature Sensor Circuit in ECE Trans. Electron, vol. E90C, no. 4, pp. 895 902, Apr. 2007. [4] C. Rossi and P. Aguirre, Ultra low Power CMOS Cells for Temperature Sensors, in 18th SBCC, pp. 202 206, Sep. 2005. [5] M. Pertijs, A. Niederkorn, Xu Ma, B. McKillop, A. Bakker, and J. Huijsing, A CMOS Smart Temperature Sensor With a 3-sigma naccuracy of 0.5ºC From 50ºC to 120ºC in EEE Journal of Solid State Circuits, vol. 40, no. 2, pp. 454 461, Feb. 2005. [6]L.Michalski,K.Eckersdorf,J.Kucharski,andJ.McGhee,TemperatureMeasurement,SecondEdition-John Wiley and Sons, SBN 0471867799, Dec. 2001. [7] Galup Montoro, M. C. Schneider and. J. B. Loss, Series Parallel Association of FET s for High Frequency Applications, in EEE Journal of Solid State Circuits, vol. 29, no. 9, pp. 1094 1101, Sep. 1994. [8] E. A. Vittoz and J. Fellrath, CMOS Analog ntegrated Circuits Based on Weak nversion Operation, in EEE Journal of Solid State Circuits, vol. 12, no. 3, pp. 224 234, Jun. 1977. Novembro de 2008 Projeto de um Sensor de Temperatura ntegrado Jefferson Dantas DEE/CT/UFRN 19