Current generator tailored to a temperature sensor

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Bertamoni, Natanael Rissi
Orientador(a): Schneider, Marcio Cherem
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Link de acesso: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/269476
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2025.
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spelling Universidade Federal de Santa CatarinaBertamoni, Natanael RissiSchneider, Marcio CheremProdanov, William2025-10-13T23:33:38Z2025-10-13T23:33:38Z2025394179https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/269476Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2025.Este trabalho aborda o estudo, projeto e construção de geradores de corrente para um sensor de temperatura de baixo consumo. As fontes de corrente, uma de referência e outra proporcional à temperatura absoluta (PTAT) foram projetadas para uso em osciladores de relaxação, um deles com período de referência e o outro com frequência PTAT. O sensor proposto opera com corrente máxima de 1 µA e tensão de alimentação de 900mV. OBJETIVOS Inicialmente, definimos as especificações para atender à demanda por circuitos de baixa potência operando em etiquetas de radiofrequência, que devem operar com resolução de 0,5 ?C, tempo de conversão inferior a 10 ms, tensão de alimentação de 900mV e corrente total de 1 µA com erro de leitura máximo de ±2 ?C. Uma vez definidas as especificações, determinamos a topologia do sensor de temperatura, fizemos a modelagem matemática comportamental do sensor, projetamos os geradores de corrente e avaliamos os erros associados aos circuitos. Então, para atender as demandas, avaliamos diferentes topologias e circuitos que poderiam atender às especificações. Partindo de níveis mais altos de abstração e avançando para níveis mais baixos, propusemos um sensor de temperatura baseado em osciladores por relaxação que utiliza uma corrente PTAT e uma corrente de referência para gerar seus clocks. A razão entre a corrente PTAT e a corrente de referência contém a informação de temperatura. Como essas correntes se convertem em pulsos de clock com frequências proporcionais às suas magnitudes, mostrado na Figura a seguir, podemos usar um contador para transformar essa informação em uma palavra digital. Osciladores de referência e proporcional a temperatura. tr designa o período de referência enquanto Fs designa a frequência PTAT. Source: Autor Assim, o objetivo do trabalho é projetar e validar um gerador de corrente que atenda às exigências do sensor de temperatura proposto. Como a informação da temperatura está em um quociente de correntes referência e PTAT, é do nosso interesse que as correntes sejam geradas pelo mesmo circuito. Dessa forma, consegue-se fazer com que as duas correntes geradas sofram o mesmos efeitos de processo. METODOLOGIA O sensor baseia-se em dois osciladores digitais. A frequência de um deles varia linearmente com a temperatura (PTAT), enquanto o outro fornece uma referência. A razão entre essas frequências fornece a informação de temperatura de forma digital, eliminando a necessidade de conversores analógico-digitais externos. Com a arquitetura do sensor e o modelo matemático comportamental definidos, foi projetada uma referência de corrente para atender às demandas dos osciladores. Os circuitos foram modelados matematicamente usando o modelo ACM (Advanced Compact MOSFET), permitindo uma análise de comportamento em diversas condições de operação. Um dos fatores determinantes para a escolha do gerador de corrente foi que tanto a corrente PTAT quanto a corrente de referência originam-se do mesmo gerador. A calibração do circuito, utilizando apenas a temperatura de 32,5 ?C, foi realizada com resistores ajustáveis escalonados com base binária. Utilizando uma técnica de busca binária para otimização, os resistores são posicionados diretamente do gerador de corrente. RESULTADOS E DISCUSSÃO Avaliamos dois projetos de geradores de corrente. O primeiro foi fabricado na tecnologia 130nm e medido, enquanto o segundo, com correções e melhores resultados, foi apenas simulado. O primeiro gerador de corrente produziu uma corrente de referência de cerca de 65,29 nA e uma corrente PTAT de 21,16 nA a 32,5 ?C, ambas correntes simuladas. Quando avaliado o erro provocado pelo mismatch do circuito na informação de temperatura, obtivemos o menor erro em 32,5 ?C, 1,84 ?C. O maior erro aconteceu em -20 ?C, sendo o erro de 6,68 ?C. O segundo gerador de corrente produziu uma corrente de referência de cerca de 63 nA e uma corrente PTAT de 24,4 nA a 32,5 ?C. Nessas condições, o erro causado pelo mismatch do circuito foi de 1,64 ?C, ambas correntes simuladas. No pior caso, a -20 ?C, o erro foi de 3,08 ?C. Os resultados de ambos projetos foram obtidos utilizando apenas um ponto de calibração em 32,5 ?C. Para realizar a calibração, utilizou-se a técnica de busca binária em um conjunto de resistores escalados exponencialmente com base binária. Tivemos dificuldade de medição correta do protótipo físico do primeiro projeto e apresentou grande variabilidade nas medidas entre amostras, o que destacou a necessidade dos refinamentos implementados no segundo projeto e as propostas nas considerações finais. CONSIDERAÇÕES FINAIS Nas considerações finais destacamos características do circuito que possibilitam a implementação de melhorias para torná-lo mais robusto aos fatores que contribuem para o aumento do erro na medição de temperatura. Entre os fatores que aumentam o erro de medição de temperatura estão a modulação de canal nos transistores responsáveis pelos espelhamentos das correntes de referência e PTAT, tensão de deslocamento do amplificador operacional e o mismatch dos dispositivos utilizados como sensor de temperatura. Sem prejuízo para o equacionamento mostrado no desenvolvimento, mostramos uma nova proposta arquitetural, onde uma variação da arquitetura utilizada é apresentada. Essa arquitetura utiliza apenas um comparador e busca minimizar problemas de tensão de deslocamento.Abstract: This work addresses the study, design, and construction of two current generators tailored for a proposed low-power temperature sensor. The current sources ? one reference and the other proportional to absolute temperature (PTAT) ? were designed for use in relaxation oscillators, one operating as a reference and the other with a PTAT-based frequency. Initially, we defined the specifications to meet the demand for low-power circuits operating in radio frequency tags, which must operate with a typical supply voltage of 900mV and a maximum current consumption of 1 µA for the whole temperature sensor circuit. As this work describes completely only the current generator, the current consumption of the current generator must be a fraction of the total. The ratio between the PTAT current and the reference current contains the temperature information. Since these currents are converted into clock pulses with frequencies proportional to their magnitudes, a counter can be used to convert this information into a digital word. With the sensor architecture and the behavioral mathematical model defined, a current reference was designed to meet the architectural requirements of the oscillators. One of the determining factors in selecting the current generator was that both the PTAT current and the reference current originate from the same generator. We evaluated two current generator designs. The first was fabricated using 130nm technology and measured, while the second, with corrections and improved results, was only simulated. In the second design, we also evaluated the currents separately; the current generator produced a reference current of approximately 63 nA and a PTAT current of 24.4 nA at 32.5 ?C. Under these conditions, the error caused by circuit mismatch was 1.64 ?C. In the worst case, at -20 ?C, the error increased to 3.08 ?C. Finally, we obtained these results using only one calibration point at 32.5 ?C to minimize costs. For the calibration, a binary search technique was used on a set of exponentially scaled binary-based resistors. Although the measurement results of the first circuit were presented, it was only possible to measure the reference current because of the limited functionality of the multiplexer.78 p.| il., tabs.engEngenharia elétricaOsciladores elétricosCurrent generator tailored to a temperature sensorinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALPEEL2253-D.pdfPEEL2253-D.pdfapplication/pdf95964906https://repositorio.ufsc.br/bitstream/123456789/269476/-1/PEEL2253-D.pdf8f137d1bd54565791f65571154ef18efMD5-1123456789/2694762025-10-13 20:33:39.055oai:repositorio.ufsc.br:123456789/269476Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestsandra.sobrera@ufsc.bropendoar:23732025-10-13T23:33:39Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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