趙毅強(qiáng) ,趙鑫宇 ,何家驥 ,李 堯 ,王帥鵬,耿俊峰
(1. 天津大學(xué)微電子學(xué)院,天津 300072;2. 天津市成像與感知微電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072; 3. 北京智芯微電子科技有限公司,北京 100192)
溫度作為與生產(chǎn)生活密切相關(guān)的物理量之一,其感知技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療和電力電子等多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-3].近些年,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展使得無(wú)線低功耗傳感節(jié)點(diǎn)得到了大量普及,基于CMOS工藝的溫度傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)溫度感知節(jié)點(diǎn)的重要元件,應(yīng)不斷向低功耗方向發(fā)展.CMOS溫度傳感器的核心電路通常由感溫電路、Sigma-Delta 調(diào)制器電路和數(shù)字濾波器電路3部分組成[4],其中,感溫電路和Sigma-Delta調(diào)制器電路決定了溫度傳感器的精度;數(shù)字濾波器電路則直接影響了溫度傳感器的面積和功耗.因此,設(shè)計(jì)低功耗數(shù)字濾波器電路是實(shí)現(xiàn)低功耗溫度傳感器的關(guān)鍵[5].
低功耗數(shù)字濾波器一直是許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn),Kilic等[6]開(kāi)展了面向射頻接收器的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì),提出了多種低功耗梳狀濾波器架構(gòu);Chavan等[7]提出了一種用于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)收發(fā)器的數(shù)字濾波器,由級(jí)聯(lián)積分梳狀(cascade integrator comb,CIC)濾波器和半帶濾波器級(jí)聯(lián)而成,采用該結(jié)構(gòu)可以有效降低數(shù)字濾波器的功耗;錢澤斌等[8]通過(guò)利用靜態(tài)存儲(chǔ)器來(lái)存放數(shù)字濾波器系數(shù),并對(duì)多級(jí)數(shù)字濾波器進(jìn)行耦合設(shè)計(jì),極大地提高了時(shí)鐘利用率,使功耗減小了60%,該濾波器應(yīng)用于音頻芯片.可以看出,低功耗數(shù)字濾波器的研究主要針對(duì)輸入為中高速信號(hào)的情況,而對(duì)于輸入為低速信號(hào)(如溫度等)的情況研究較少.
為了降低溫度傳感器的功耗,本文開(kāi)展了面向CMOS溫度傳感器的低功耗數(shù)字濾波器設(shè)計(jì),完成了遞歸結(jié)構(gòu)CIC濾波器和基于移位加法器的有限脈沖響應(yīng)(finite impulse response,F(xiàn)IR)濾波器的硬件實(shí)現(xiàn),通過(guò)分析濾波器精度與功耗之間的關(guān)系,提出了一種可根據(jù)精度需求變化自行調(diào)節(jié)運(yùn)算單元數(shù)量的數(shù)字濾波器,有效降低了濾波器運(yùn)行時(shí)功耗.此外,針對(duì)溫度信號(hào)的變化特點(diǎn),采用一種低功耗工作模式,并對(duì)這種工作模式下濾波器的運(yùn)算方式進(jìn)行優(yōu)化,使濾波器功耗進(jìn)一步降低.
本文提出的CMOS溫度傳感器由基于2階調(diào)制器的前端電路和數(shù)字信號(hào)處理電路兩部分組成,其架構(gòu)如圖1所示.環(huán)境溫度經(jīng)過(guò)基于雙極晶體管(bipolar junction transistor,BJT)測(cè)溫原理的感溫電路產(chǎn)生用于比率計(jì)算的兩個(gè)關(guān)鍵電壓Vbe1和Vbe2.2階Sigma-Delta(ΣΔ)調(diào)制器用于將感溫電路產(chǎn)生的模擬電壓量化為帶有溫度信息的數(shù)字比特流.
圖1 CMOS溫度傳感器架構(gòu)Fig.1 Architecture of CMOS temperature sensor
Sigma-Delta調(diào)制器輸出的數(shù)字比特流在未經(jīng)處理情況下并不利于用戶直接獲取溫度信息,一是因?yàn)樵撔盘?hào)在高頻處存在的大量冗余噪聲會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量;二是因?yàn)樵撔盘?hào)工作頻率較高,若不進(jìn)行降采樣處理,將極大增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量[9].因此,需要在調(diào)制器后設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器電路去解決上述兩個(gè)問(wèn)題.?dāng)?shù)字濾波器通常分為單級(jí)結(jié)構(gòu)和多級(jí)結(jié)構(gòu),單級(jí)結(jié)構(gòu)容易設(shè)計(jì),原理簡(jiǎn)單,但實(shí)現(xiàn)較好性能往往需要較大開(kāi)銷[10].為降低電路開(kāi)銷,本設(shè)計(jì)選取“CIC+ FIR”這種多級(jí)結(jié)構(gòu).
為了降低由溫度漂移和自熱效應(yīng)所引入的測(cè)溫誤差,在數(shù)字濾波器后設(shè)計(jì)了溫度校正電路,該電路可以根據(jù)不同溫度區(qū)間內(nèi)測(cè)溫誤差的不同進(jìn)行分段溫度校正,從而提升測(cè)溫精度.?dāng)?shù)字接口電路通常由通信模塊和功能邏輯模塊組成,通信模塊用于溫度信息讀取和功能邏輯電路的配置,功能邏輯電路則為用戶提供了多種功能選擇,實(shí)現(xiàn)了CMOS溫度傳感器的智能化.
CIC濾波器是一種特殊的FIR濾波器,其特點(diǎn)是所有濾波器系數(shù)均為1,因此,在硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行任何乘法運(yùn)算,相比于需要大量運(yùn)算才能完成濾波的FIR濾波器來(lái)說(shuō)很大程度上降低了硬件開(kāi)銷,故常作為多級(jí)數(shù)字濾波器的第1級(jí)[11].CIC濾波器的傳輸函數(shù)為
式中:M為差分延遲因子,一般設(shè)置為1;D為CIC濾波器階數(shù),通常由Sigma-Delta調(diào)制器的過(guò)采樣率決定;Nc為CIC濾波器級(jí)數(shù),通常由Sigma-Delta調(diào)制器的階數(shù)決定,當(dāng)前級(jí)調(diào)制器階數(shù)為L(zhǎng)時(shí),為了保證溫度傳感器的測(cè)溫精度,CIC濾波器級(jí)數(shù)一般需要L+1級(jí)[12].
假設(shè)L+1為3,3級(jí)D階CIC濾波器的一般實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,可以看出信號(hào)先經(jīng)過(guò)3級(jí)積分器,再經(jīng)過(guò)3級(jí)差分器,最后完成D倍抽?。@種結(jié)構(gòu)往往功耗較高,一是該結(jié)構(gòu)中各部分電路一直工作在一個(gè)較高頻率下,二是在每一級(jí)差分器實(shí)現(xiàn)過(guò) 程中都需要D個(gè)延遲單元.因此,為降低傳感器功耗,本設(shè)計(jì)采用一種遞歸型CIC濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示,該結(jié)構(gòu)由CIC濾波器一般實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)經(jīng)Nobel恒等變換而來(lái),通過(guò)將差分器和抽取器位置對(duì)調(diào),使信號(hào)在經(jīng)過(guò)積分器后先經(jīng)過(guò)抽取器再經(jīng)過(guò)差分器,不僅使差分器工作在較低工作頻率下,也減少了冗余運(yùn)算和延遲單元的使用.
圖2 CIC濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of CIC filter
FIR濾波器是數(shù)字濾波器的重要組成部分,通常級(jí)聯(lián)在CIC濾波器后來(lái)進(jìn)一步濾除信號(hào)的高頻噪聲,具有系數(shù)對(duì)稱、通阻帶邊界易于控制等優(yōu)點(diǎn)[13-14]. 對(duì)于Nf階FIR濾波器,其傳輸函數(shù)為
式中h(n)為FIR濾波器系數(shù).
FIR濾波器在硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中應(yīng)盡可能減少運(yùn)算單元數(shù)量,以此來(lái)限制濾波運(yùn)算過(guò)程中由邏輯翻轉(zhuǎn)所引入的大量功耗.本設(shè)計(jì)根據(jù)FIR濾波器系數(shù)對(duì)稱的特點(diǎn),通過(guò)系數(shù)復(fù)用方式將運(yùn)算單元數(shù)量減少一半.此外,將該結(jié)構(gòu)中乘法器替換為移位加法器,使乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為多個(gè)加法運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)算單元的目的.當(dāng)Nf為奇數(shù)時(shí),基于移位加法器(shift adder,SA)的Nf階FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中,n=(Nf-1)/2.
圖3 基于SA的FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.3 SA based structure of FIR filter
圖3 中SA(n)單元復(fù)雜度直接取決于濾波器系數(shù)h(n),該系數(shù)量化后的二進(jìn)制碼中每多有一位是1,則需要額外設(shè)計(jì)一個(gè)移位寄存器和一個(gè)加法器. 為了簡(jiǎn)化量化后的系數(shù),使用正則有符號(hào)數(shù)(canonic signed digit,CSD)碼來(lái)代替普通二進(jìn)制碼對(duì)系數(shù)進(jìn)行編碼.CSD編碼是一種基于權(quán)值{-10 1}的表示法,在該表示法中,不能有兩個(gè)連續(xù)的非零位[15],如二進(jìn)制碼01101111,采用CSD碼表示為10010001,可以看出,利用CSD編碼比利用普通二進(jìn)制編碼具備更少的非零位,特別是系數(shù)中出現(xiàn)連續(xù)1的情況下效果更為突出,將有效地降低硬件資源.
為了驗(yàn)證所使用數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)的功耗優(yōu)勢(shì),本節(jié)利用PTPX工具對(duì)兩種濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了功耗仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)相關(guān)配置如下:濾波器工作電壓為1.62 V,濾波器工作頻率為1 MHz,仿真時(shí)間為1 ms.根據(jù)仿真結(jié)果可知,相比于傳統(tǒng)數(shù)字濾波器,本設(shè)計(jì)所使用的數(shù)字濾波器功耗降低了60.1%,其中,CIC濾波器部分功耗降低了82.5%,F(xiàn)IR濾波器部分功耗降低了10.9%.
在數(shù)字集成電路硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,精度和功耗通常是一對(duì)不可兼得的指標(biāo),精度的提升往往意味著需要更多的功耗開(kāi)銷.對(duì)于數(shù)字濾波器電路來(lái)說(shuō),要想實(shí)現(xiàn)更好的濾波效果,必將需要更多的運(yùn)算單元.
通過(guò)分析不同數(shù)字濾波器的幅頻響應(yīng),可以得到影響數(shù)字濾波器精度的因素.多級(jí)CIC濾波器的幅頻響應(yīng)為
由式(3)可知,CIC濾波器的幅頻響應(yīng)主要由M、D和Nc3個(gè)參數(shù)決定,在本設(shè)計(jì)中M和D是固定參數(shù),Nc為可變參數(shù).通過(guò)控制每級(jí)CIC濾波器對(duì)應(yīng)的運(yùn)算單元,可以得到具備不同幅頻響應(yīng)的CIC濾波器.圖4展示了不同級(jí)數(shù)CIC濾波器的幅頻響應(yīng).
圖4 不同級(jí)數(shù)CIC濾波器的幅頻響應(yīng)Fig.4 Amplitude-frequency responses of CIC filters with different levels
本設(shè)計(jì)使用的FIR濾波器系數(shù)是偶對(duì)稱的,其幅頻響應(yīng)為
由式(4)可知,F(xiàn)IR濾波器的幅頻響應(yīng)主要由h(n)和Nf決定.在已設(shè)計(jì)的FIR濾波器基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)不同h(n)對(duì)應(yīng)的運(yùn)算單元進(jìn)行關(guān)斷,可以使FIR濾波器具備不同的幅頻響應(yīng).圖5展示了利用上述方法設(shè)計(jì)的不同階數(shù)FIR濾波器的幅頻響應(yīng).
由圖4可以看出,CIC濾波器幅頻響應(yīng)隨Nc改變而改變,由圖5可以看出,F(xiàn)IR濾波器幅頻響應(yīng)隨Nf改變而改變,基于此,可以通過(guò)調(diào)整CIC濾波器級(jí)數(shù)和FIR濾波器階數(shù)來(lái)獲得不同精度的數(shù)字濾波器.
圖5 不同階數(shù)FIR濾波器的幅頻響應(yīng)Fig.5 Amplitude-frequency responses of FIR filters with different orders
溫度報(bào)警是數(shù)字溫度傳感器中一個(gè)常見(jiàn)功能,當(dāng)實(shí)測(cè)溫度在用戶設(shè)定閾值溫度區(qū)間內(nèi)時(shí),傳感器會(huì)給用戶一個(gè)警示,以便用戶根據(jù)當(dāng)前溫度做出相應(yīng)調(diào)整.一般情況下,用戶會(huì)更在意實(shí)測(cè)溫度是否在閾值溫度區(qū)間內(nèi),因此,當(dāng)實(shí)測(cè)溫度在閾值溫度區(qū)間內(nèi)時(shí),用戶對(duì)傳感器精度要求較高,當(dāng)實(shí)測(cè)溫度在閾值溫度區(qū)間外時(shí),用戶對(duì)傳感器的精度要求就沒(méi)有那么嚴(yán)格了,若依舊進(jìn)行高精度溫度監(jiān)測(cè),將引入許多不必要的功耗開(kāi)銷.針對(duì)這一問(wèn)題,提出一種精度自適應(yīng)的數(shù)字濾波器,其架構(gòu)如圖6所示,該濾波器可以根據(jù)實(shí)測(cè)溫度與閾值溫度區(qū)間差值自行調(diào)節(jié)濾波器精度,當(dāng)濾波器精度要求不高時(shí),精度自適應(yīng)的數(shù)字濾波器會(huì)降低CIC濾波器級(jí)數(shù)和FIR濾波器階數(shù),從而降低濾波所需的運(yùn)算單元數(shù)量,需要注意的是,該過(guò)程只對(duì)已有運(yùn)算單元進(jìn)行操作,并沒(méi)有引入新的運(yùn)算單元.基于上述原則,完成了精度自適應(yīng)數(shù)字濾波器的硬件設(shè)計(jì),該濾波器可具備4種精度模式,當(dāng)實(shí)測(cè)溫度處于閾值溫度區(qū)間內(nèi)時(shí),濾波器具備最高精度,此時(shí)稱濾波器處于狀態(tài)A;當(dāng)實(shí)測(cè)溫度與閾值溫度區(qū)間的差值小于X1時(shí),濾波器具備次高精度,此時(shí)稱濾波器處于狀態(tài)B;當(dāng)實(shí)測(cè)溫度與閾值溫度區(qū)間的差值大于X1小于X2時(shí),濾波器具備次低精度,此時(shí)稱濾波器處于狀態(tài)C;當(dāng)實(shí)測(cè)溫度與閾值溫度區(qū)間的差值大于X2時(shí),濾波器具備最低精度,此時(shí)稱濾波器處于狀態(tài)D.其中,X1、X2和閾值溫度區(qū)間均可利用數(shù)字接口進(jìn)行配置,在默認(rèn)配置下,X1為5℃,X2為10℃,閾值溫度區(qū)間為0~25℃.
圖6 精度自適應(yīng)的數(shù)字濾波器架構(gòu)Fig.6 Structure of a precision adaptive digital filter
在自然界中,溫度通常是變化緩慢的,若溫度傳感器對(duì)其進(jìn)行頻繁監(jiān)測(cè),實(shí)際上許多工作是不必要的.針對(duì)這一情況,使用了一種低功耗工作模式,在這種工作模式下,溫度監(jiān)測(cè)被分為單次溫度轉(zhuǎn)換(single temperature conversion,STC)階段和閑時(shí)關(guān)斷(idle shutdown,IS)階段,這種低功耗工作模式的工作時(shí)序如圖7所示.
圖7中SD信號(hào)是優(yōu)先級(jí)最高的信號(hào),當(dāng)SD信號(hào)為1時(shí)濾波器開(kāi)始工作,當(dāng)該信號(hào)被拉低為0時(shí),濾波器立即停止工作,所有信號(hào)恢復(fù)到初始狀態(tài). CR_ctrl信號(hào)控制濾波器的工作模式Mode,當(dāng)CR_ctrl信號(hào)為1時(shí),Mode處于STC階段,濾波器完成一次溫度轉(zhuǎn)換;反之,當(dāng)CR_ctrl信號(hào)為0時(shí),Mode處于IS階段,濾波器停止溫度轉(zhuǎn)換.其中,STC階段工作時(shí)長(zhǎng)取決于數(shù)字濾波器級(jí)數(shù)和階數(shù),為固定參數(shù);IS階段時(shí)長(zhǎng)則受數(shù)字接口電路控制,為可配置參數(shù),該階段時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),濾波器平均功耗將 越低.
圖7下半部分為STC階段的FIR濾波器工作時(shí)序,在該階段,F(xiàn)IR濾波器需要CIC濾波器提供n個(gè)數(shù)據(jù)才能完成的濾波運(yùn)算,本設(shè)計(jì)中n等于Nf.在FIR濾波器濾波運(yùn)算過(guò)程中,每有一個(gè)輸入數(shù)據(jù)Data_in進(jìn)入,F(xiàn)IR濾波器就會(huì)輸出一個(gè)累計(jì)和Add_sum,但是,只有n+1個(gè)數(shù)據(jù)均輸入后所得到的Add_sum才是有效輸出,其余的n次運(yùn)算均為冗余操作.對(duì)于這些額外的運(yùn)算,本設(shè)計(jì)使用En信號(hào)作為數(shù)據(jù)門控信號(hào),關(guān)斷A(0)~A(n-1)的運(yùn)算,只開(kāi)展A(n)的運(yùn)算,并將其運(yùn)算結(jié)果作為最終的數(shù)據(jù)輸出.經(jīng)功耗分析,提出的FIR濾波器優(yōu)化方法使FIR濾波器工作在STC階段時(shí)的功耗降低了5.5%.圖8展示了優(yōu)化前后FIR濾波器在STC階段的功耗曲線,其中,圖8(a)為整體功耗曲線,圖8(b)為局部放大功耗曲線.為了更突出展示功耗改變,功耗仿真選用25 MHz時(shí)鐘作為濾波器的工作頻率,可以看出優(yōu)化后濾波器功耗尖峰有明顯的減少.
圖7 低功耗工作模式的工作時(shí)序Fig.7 Work timing of the low-power mode
圖8 FIR濾波器在STC階段功耗Fig.8 Power consumption of the FIR filter at the STC stage
溫度傳感器采用180 nm CMOS工藝完成流片,圖9為溫度的測(cè)試過(guò)程,其中,圖9(a)為傳感器芯片顯微照片,圖9(b)為芯片測(cè)試平臺(tái).
圖9 溫度傳感器的測(cè)試過(guò)程Fig.9 Test process of the temperature sensor
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)傳感器的實(shí)際測(cè)溫效果,將帶有待測(cè)傳感器和PT1000的測(cè)試板置于愛(ài)斯派克超低溫試驗(yàn)箱ESPEC GMC-71中.在每一個(gè)溫度值,使用單片機(jī)連續(xù)采集40次待測(cè)傳感器的實(shí)測(cè)溫度,利用高精度萬(wàn)用表讀取每次單片機(jī)采集時(shí)的PT1000電阻值作為參考溫度,通過(guò)分析40個(gè)實(shí)測(cè)溫度與參考溫度的最大差值,可以得到每個(gè)溫度點(diǎn)待測(cè)傳感器的測(cè)溫精度.經(jīng)測(cè)試,在-55~115℃溫度區(qū)間內(nèi),傳感器具備0.47℃測(cè)溫精度,傳感器優(yōu)良的測(cè)溫精度也說(shuō)明數(shù)字濾波器具備不錯(cuò)的精度特性,圖10展示了實(shí)測(cè)溫度與測(cè)溫誤差絕對(duì)值|E|的關(guān)系.
圖10 溫度傳感器的精度Fig.10 Precision of the temperature sensor
利用數(shù)字接口電路寫入不同的X1、X2和閾值溫度區(qū)間,在精度自適應(yīng)的數(shù)字濾波器作用下,傳感器將具備不同的測(cè)溫精度.圖11分析了精度自適應(yīng)數(shù)字濾波器的引入對(duì)傳感器測(cè)溫精度的影響,4條曲線分別代表了濾波器處于不同工作狀態(tài)時(shí)傳感器的測(cè)溫精度.
圖11 不同狀態(tài)下溫度傳感器的精度Fig.11 Precision of temperature sensors in different states
圖12 為傳感器數(shù)字部分在低功耗工作模式下的實(shí)測(cè)功耗曲線,曲線的高值為STC階段功耗,低值為IS階段功耗.在濾波器工作在狀態(tài)A時(shí),STC階段功耗為71.55 μW,IS階段功耗為20.12 μW,平均功耗為20.15 μW.當(dāng)IS階段時(shí)間要求比較嚴(yán)格時(shí),精度自適應(yīng)濾波器的引入將有效降低傳感器數(shù)字部分的平均功耗,經(jīng)測(cè)試,傳感器數(shù)字部分處于狀態(tài)D比處于狀態(tài)A功耗降低11.3%.
圖12 溫度傳感器數(shù)字部分的功耗Fig.12 Power consumption of the digital part of the temperature sensor
本文基于180 nm CMOS工藝開(kāi)展了面向CMOS溫度傳感器的低功耗數(shù)字濾波器設(shè)計(jì),該濾波器采用遞歸型CIC濾波器級(jí)聯(lián)基于SA的FIR濾波器的架構(gòu),相比于傳統(tǒng)濾波器,功耗降低了60.1%.在該架構(gòu)基礎(chǔ)上,根據(jù)溫度傳感器的工作特點(diǎn),進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)字濾波器功耗.首先,提出一種精度自適應(yīng)的數(shù)字濾波器,根據(jù)實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定閾值溫度區(qū)間差值,調(diào)節(jié)濾波器運(yùn)算單元數(shù)量,從而控制濾波器的功耗.其次,采用一種低功耗工作模式,將溫度監(jiān)測(cè)分為STC階段和IS階段.針對(duì)STC階段只完成一次溫度轉(zhuǎn)換的情況,對(duì)FIR濾波器冗余運(yùn)算進(jìn)行關(guān)斷,使FIR濾波器功耗降低5.5%.測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)實(shí)測(cè)溫度在閾值溫度區(qū)間內(nèi)時(shí),傳感器數(shù)字部分功耗為20.15 μW,在-55~115℃溫 度 區(qū) 間 內(nèi),精 度 為0.47℃;當(dāng)實(shí)測(cè)溫度在閾值溫度區(qū)間外時(shí),傳感器數(shù)字部分功耗最大可下降11.3%.