A BJT-based CMOS Temperature Sensor with an Extended Sensing Range
- 주제어 (키워드) BJT , β-compensation technique , bitstream-controlled dynamic element matching (DEM) , system-level low-frequency chopping (CHL) , temperature sensor
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 안길초
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079412
- UCI I804:11029-000000079412
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
This thesis presents a BJT-based CMOS temperature sensor designed for an extended temperature range. In the sensing frontend, a β -compensation technique is employed to mitigate the effects of the finite current gain (β) of PNP transistors. Additionally, bitstream-controlled dynamic element matching (DEM) is applied to address mismatch errors in current sources and PNP transistors. The readout circuit based on 1-bit second-order incremental delta-sigma analog-to-digital converter (ΔΣ ADC) is configured with a minimum number of sampling switches to mitigate the impact of increasing switch leakage currents at high temperatures. Furthermore, system-level low-frequency chopping (CHL) is implemented digitally, removing the need for extra switches. Fabricated in a 0.18-μm CMOS process, the proposed sensor occupies an area of 0.63 mm². The sensor is accurate to within ±0.94 °C (3σ) after one-point trimming from -40 °C to +150 °C. It achieves a resolution figure of merit (FoM) of 21.17 pJ·K2 at 27 °C, with a conversion time of 20 ms and a power consumption of 22.23 μW from a 1.8 V supply.
more초록 (요약문)
본 논문은 확장된 온도 범위를 위한 BJT 기반 CMOS 온도 센서를 제안한다. 센싱 프론트엔드에서 PNP 트랜지스터의 유한한 전류 이득(β)에 의한 영향을 완화하기 위해 β-보상 기법을 적용하였다. 또한, 전류 소스 및 PNP 트랜지스터의 매칭 오차를 보정하기 위해 비트스트림 제어 동적 요소 매칭 (bitstream-controlled DEM)을 적용하였다. 1비트 2차 델타-시그마 아날로그-디지털 변환기 (ΔΣ ADC) 기반의 판독 회로는 샘플링 스위치의 개수를 최소화하여 고온에서 증가하는 스위치 누설 전류의 영향을 완화하도록 구성되었다. 추가적으로, 시스템 레벨 저주파 초핑(Chopping, CHL)은 디지털 방식으로 구현되어 추가적인 스위치의 필요성을 제거하였다. 제안된 센서는 0.18 μm CMOS 공정을 통해 제작되었으며, 0.63 mm²의 면적을 차지한다. -40 °C에서 +150 °C의 온도 범위에서 단일 포인트 트리밍 후 ±0.94 °C (3σ)의 정확도를 제공한다. 27 °C에서 21.17 pJ·K²의 해상도 성능 지수(Resolution figure-of-merit, FoM)를 달성하며, 20 ms의 변환 시간과 1.8 V 전원에서 22.23 μW의 전력을 소비한다.
more목차
Ⅰ. Introduction 11
Ⅱ. Operating principle 13
2.1 Temperature sensing with BJT 13
2.2 Readout method 17
Ⅲ. Implementation 20
3.1 Sensing frontend 22
3.1.1 Design approach 22
3.1.2 Implementation 23
3.2 Readout circuit 25
3.2.1 Architecture 25
3.2.2 Charge-Balancing 28
3.2.3 Implementation 32
Ⅳ. Measurement results 34
Ⅴ. Conclusion 42
References 43
