TKD—A电控系统故障诊断的元件匹配法

ＴＫＤ—Ａ电控系统故障诊断的元件匹配法山东矿业学院钱宝光，史大光，于修我国目前大部分中小型矿井采用交流拖动提升机，其电控系统为ＴＫＤ—Ａ系列。该电控系统线路复杂，元器件分散，触点众多，出现故障时，排除较困难。笔者研制开发的ＴＫＤ—Ａ系列电控系统故障诊...

基于动态元件匹配的CMOS集成温度传感器设计

利用CMOS工艺下衬底型双极晶体管的温度特性,设计了一种精度较高的温度传感器.动态元件匹配的应用很好地解决了由于集成电路工艺误差引起的不匹配对温度传感器性能的影响.采用CSMC0.5μm混合信号工艺仿真,结果显示,该温度传感器精度是0.15℃,线性度是0.15%.多个芯片实测结果表明:温度传感器精度小于0.6℃,线性度小于0.68%,功耗为587μW,芯片面积为225μm×95μm,输出为模拟电压信号,便于采集,为后端处理和应用提供方便.

基于斩波和动态元件匹配的CMOS集成温度传感器的设计

利用CMOS工艺下衬底型双极晶体管的温度特性,设计了一种精度较高的温度传感器。斩波技术和动态元件匹配技术的应用很好的提高了温度传感器的精度。文章对斩波和动态元件匹配技术进行了详细的分析。并采用HYNIX0.5μm混合信号工艺进行仿真和流片,仿真结果显示,该温度传感器精度为±0.4℃,工作的温度的范围?40℃～+100℃。多个芯片实测结果表明:温度传感器精度为±0.7℃,功耗0.35mW,芯片面积是889μm×620μm。芯片输出为模拟电压信号,便于后续电路进行采集。该温度传感器已经成功用在消费类电子产品中。

基于动态元件匹配技术的改进逐次逼近ADC设计

介绍了一种低功耗、中等速度、中等精度的改进逐次逼近ADC,用于DSP的外围接口中。其中DAC采用分段电容阵列结构,节省了芯片面积,其高三位使用了动态元件匹配技术,改善了ADC的性能。比较器采用四级预放大器和Latch串联构成,并且使用了失调校准技术。数字电路采用全定制设计,辅助模拟电路完成逐次逼近过程,并且能够使ADC进入省电模式。芯片使用UMC0.18μm混合信号CMOS工艺制造,版图面积2.2mm×1.5mm。后仿真结果显示,ADC可以在1.8V电压下达到12bit精度,速度1MS/s,整个芯片的功耗为2.6mW。

使用动态元件匹配技术的带隙基准源的设计

为了改善器件失配引起的误差对带隙基准精度及稳定性的影响,设计了一款基于BICMOS 0.15μm工艺的带隙基准电压源。电路使用传统的带隙基准结构,为了提高增益,采用两级放大器;为了解决器件失配造成的不稳定性,采用了动态元件匹配技术。经过spectre仿真表明:此基准源能够很好地改善器件失配带来的误差,从而保证基准源的精度以及稳定性,5.0V供电、温度在233K(-40℃)~378K(105℃)变化时,相比于没有使用动态元件匹配的电路,该电路最少能够减小68%的误差;典型温度298K(25℃)、电压在4.5~5.5V变化时,相比于没有使用动态元件匹配的电路,该电路最少能够减小70%的误差。仿真结果显示,电路具有高稳定性。

元件匹配不当引发的特殊故障

车型:克莱斯勒Sundance轿车,TBI单点燃油喷射四缸发动机. 故障现象:行驶几十公里后突然加速不良,难以起步直至熄火,两分钟后又恢复正常.

高精度电压电流转换电路中电流镜校准技术

电流镜输出误差主要由3个不同失配源造成:漏源电压(V_(DS)),阈值电压(V_(th)),跨导系数(β)。其中,第一项V_(DS)失配通常是由有限输出阻抗引起的确定性误差,该误差可以通过使用级联结构以及增益提升技术避免,后两项V_(th)和β失配是由工艺引起的随机性误差。为解决电流镜因工艺失配现象导致的电压电流(Voltage to Current)转换电路精度、线性度较差的问题,提出了一种动态元件匹配(Dynamic Element Match,DEM)以及修调技术(TRIM)相结合的电流镜校准方法,该方法使用TRIM技术将待校准输出电流镜支路和基准电流镜支路之间的误差电流,通过电容与MOS管转换成校准电流后反馈流入待校准输出电流镜支路完成校准,并通过DEM技术切换多条待校准输出电流镜支路完成校准的同时使输出误差平均化。本文采用SMIC 0.18μm BCD工艺对所提出的V-I转换电路进行了电路设计,仿真结果表明,V-I转换电路的输出电流的失配误差从0.12%下降到了0.03%,有效位数ENOB达到了11.2 bit,总谐波失真THD为−72.6 dB。

一种面积与随机性均衡的DEM设计

针对高速电流舵数模转换器(Digital-to-Analog Conversion,DAC)中电流源阵列不匹配问题,提出了一种基于随机结合的分组译码动态元素匹配(Dynamic-Element Matching,DEM)结构以提升DAC的转换性能。所提结构是一种基于随机旋转(Random Rotation-based Binary-weighted Selection,RRBS)的改进结构。该结构首先将输入数据分成高位数据与低位数据,接着将低位数据经过RRBS结构处理所得的结果逐位与高位数据结合进行第二次处理并得到最终输出。该结构在输入数据为3位与输入数据大于3位这两种情况下存在差异。使用MATLAB对提出结构的无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)进行了仿真。首先给出该结构在不同分段方式与不同误差情况下的SFDR对比图,接着将不同DEM结构在不同误差下进行对比,最后对该结构在不同输入频率与误差的情况进行仿真对比。同时,给出了该结构在tsmc65工艺下的综合结果。在相同的系统周期下,该结构所占用的面积相比于RRBS结构的更小。通过仿真与综合结果可以看出,提出的DEM结构电路减小了电路面积;相比于未使用DEM的14位DAC,本结构可以使SFDR提高15 dB以上。

一种采用分段电容DEM方法的噪声整形SARADC

针对传统动态元件匹配(DEM)方法所需硬件资源较多的问题,设计一种二阶误差反馈噪声整形SAR ADC。该设计采用分段电容以减小DAC阵列规模及误差反馈环路电容的容值,缩减整体电路的面积。在此基础上形成一种应用于分段电容阵列的DEM方法,以较小的电路复杂度为代价,减轻电容失配对信噪失真比(SNDR)等性能参数的影响。仿真结果表明,在0.3%的电容失配下,所设计的噪声整形SAR ADC采用8位电容阵列即可实现70.9dB的SNDR,所需面积仅为0.019mm^(2)。

一种面向无源RFID系统的温度传感器设计

针对无源RFID系统的应用需求,设计了一款高精度片上集成温度传感器电路芯片。提出了一种由温度感应电路、PTAT偏置电流产生电路和Sigma-Delta ADC共同组成的温度传感器电路架构。采用基于双极晶体管的温度感应电路产生与温度成正比的电压,并采用Sigma-Delta ADC对其进行量化,得到与温度对应的数字量。在偏置电路中采用了斩波稳定技术,减小了由晶体管的失配及运放的失调引起的误差。在电流镜中采用了动态匹配技术,消除了由于电流镜失配引起的误差。采用GSMC 0.13μm CMOS工艺完成了对温度传感器的电路设计及版图绘制,版图面积为420μm×350μm。后仿真结果表示,在-40℃~+85℃的温度范围内,温度传感器的精度为-1.6℃/0.8℃,分辨率为0.75℃。在电源电压为1.5 V下,温度传感器消耗的电流为0.253 mA。

一种实现失配误差整形与4倍无源增益的噪声整形SAR ADC

本文提出了一种高分辨率的完全无源的噪声整形逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。首先,其采用了一种二阶误差反馈式失配误差整形技术(EFMES),并且使用了一种数字预测方法来恢复MES引起的信号范围损失。其次,采用了一种完全无源的噪声整形结构,实现了无源求和与4倍无源增益,对系统内热噪声与量化噪声进行整形。最后。采用了一种差分式的定制电容,大大降低了电容阵列整体面积的同时依然保有良好的线性度。该设计使用SMIC 0.18μm工艺实现,后仿真表明,在1.8V电源电压、25倍过采样率和1MS/s的采样频率下,ADC的SNDR为88.23dB,SFDR为93.67dB。功耗仅为965μW,电路有效面积为1.95mm^(2)。

以微珠形NTC热敏电阻为敏感元件的可燃气体传感器的设计

本文以微珠形热敏电阻做为敏感元件的测量方法,传感器的结构型式和传感器电路的设计出发,介绍了一种用于可燃性气体检测的热导气敏传感器的设计方法。这种传感器已用于我国煤矿瓦斯检测仪器中,它以安全可靠,制做出的仪器功耗小而逐渐被人们认识,并不断克服自身的弱点走向成熟。为我国可燃性气体检测方式增加了一个新品种。

采用新型动态器件匹配算法的高速数模转换器

采用5+7的分段方式,设计了一种12位1GHz电流舵数模转换器(DAC),分析了电流源版图误差对DAC性能的影响。为了抵消DAC版图的梯度失配误差,提出一种新型随机增减动态元件匹配(DEM)算法,并将其加入到高5位温度计码中,以优化DAC的动态性能。基于TSMC0.18μm CMOS工艺,完成了整个DAC的电路设计,并与常规DEM算法进行仿真比较,结果显示,在输入数据频率分别为10MHz和120MHz时,该DAC的无杂散动态范围(SFDR)分别提升7.2dB和3.8dB。

基于GND采样技术的逐次逼近型模数转换器设计

针对柔性压阻式压力传感器输出信号数字化对功耗和面积的要求,设计了一款低功耗逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC).电路采用了基于GND采样的单调开关切换方案降低DAC开关能耗,并使用了分段电容阵列,在进一步降低切换功耗的同时,还缩减了整体电路的面积开销.此外,电路还设计了两级预放大器来降低动态比较器的噪声和失调,采用动态元件匹配技术(DEM)来提高ADC的线性度.在0.18μm 1P6M CMOS工艺下实现了该ADC的电路设计和版图绘制,芯片内核面积约630μm×575μm,在1.8 V的电源电压下功耗为25.7μW.流片测试结果显示:SAR ADC在250 kHz的采样率下以11 bit输出时,信噪失真比SNDR为65.0 dB,有效位数ENOB为10.51 bit.

超声微坑加工中的电匹配研究

针对超声微坑加工谐振系统等效电路匹配理论,对串联电感匹配电路、LC匹配电路进行了分析研究。提出改进后的LC电路,采用Multisim软件对其进行了仿真分析,对比在不同电感、电容参数和配合方式下换能器阻抗和谐振频率的变化,并使用IM3570阻抗分析仪进行参数测试。结果表明,选取合适的匹配元件参数使超声微坑加工谐振系统在接入匹配电路后能够提高有效加工效率从而获得更好的加工效果。

一种具有分段式DEM的二阶噪声整形SAR ADC

设计了一种具有分段式动态元件匹配(DEM)的高分辨率、低功耗噪声整形SAR ADC。该电路实现了具有无源增益的二阶噪声整形滤波器,从而增强了噪声整形能力。此外,提出了一种分段式动态元件匹配电路来解决由DAC电容失配引起的谐波失真问题,以进一步提高ADC的信噪失真比(SNDR)。仿真结果表明,在4 MS/s的采样速率和40倍过采样率(OSR)的情况下,所设计的噪声整形SAR ADC的信噪失真比达到91.1 dB。当电源电压为1.8 V时,该ADC的功耗仅为231μW,并实现了174.5 dB Schreier优值(FOM)。

一种采用DEM技术的16-bit 2.5 GHz电流舵数模转换器设计

电流舵数模转换器(DAC)的动态性能受电流源失配的影响。采用6+10的分段方式,分析比较了几种动态元件匹配(DEM)算法,采用了一种分段温度数据权重平均(Segmented Thermo Data-Weighted Average, STDWA)技术,并将其应用于高6位的温度计编码中,消除对输入编码的依赖,弱化电流源失配的影响,以优化动态性能。基于TSMC 55 nm工艺,设计实现了一种16位2.5 GHz的电流舵DAC,测试结果显示,在2.5 GHz采样率和94.15 MHz输入信号频率条件下,无杂散动态范围(SFDR)提升了6 dB。

一种片上集成的温度传感器设计

本设计在FinFET器件结构的标准CMOS工艺下进行,实现一种集成在片上系统内部的温度传感器。为解决寄生PNP管电流增益过小对基射电压的影响,温度传感电路基于寄生垂直NPN三极管进行设计,以动态元件匹配、斩波等技术减少电路失调,模数转换采用相关双采样技术的单环二阶单比特量化的电容型Σ△调制器结构,以提高对系统噪声的抑制能力。该温度传感器集成在片上系统内部,实现对片上系统温度的监控。电路仿真及芯片测试结果表明,该温度传感器在-55℃至+125℃的温度范围内,电路仿真精度为±0.15℃,芯片测试精度为±1.5℃。

基于混合型ADC的高精度温度传感器研制

介绍了一种基于0.18μm CMOS工艺的高精度数字式温度传感器电路。在感温前端模块,通过利用动态匹配技术与斩波技术,并采用混合型一阶sigma-delta/SAR型ADC,在降低功耗的同时实现更高的分辨率,提高温度传感器的采样精度。经过仿真及测试验证,提出的基于混合型ADC的高精度数字式温度传感器电路,提供16 bit温度结果,应用时无需校准即可在-25~55℃的温度范围内达到±0.1℃精度。通过使能控制,极大程度地减少自发热对测温精度的影响,在1.7~5.5 V的电压范围内,电流最大值仅为5μA。在达到高精度的同时,降低了成本与功耗。

一种采用DEM译码的16 bit高性能数模转换器的设计

分析了目前分段电流舵数模转换器（DAC）在动态性能提升和芯片面积缩小等方面的局限性。提出了动态元件匹配（DEM）译码技术。设计了16 bit DAC中的DEM译码电路结构,分析了DEM译码技术的原理。对该16 bit DAC的动态性能等进行了详细仿真,并完成了整体版图设计。该DAC核心部分芯片面积仅为2. 2 mm^2。采用0. 18μm CMOS工艺完成了该DAC的加工和性能参数测试。在1 GHz采样率和100 MHz输入信号频率条件下,该DAC的无杂散动态范围约为67 dB,三阶互调失真约为76 dB,整体性能优于目前同类研究成果。