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电气工程与系统科学 > 信号处理

arXiv:2501.00482v1 (eess)
[提交于 2024年12月31日 ]

标题: 12位Delta-Sigma模数转换器,在最高250°C的温度下,采用标准0.18 $μ$m SOI CMOS工艺运行

标题: 12-bit Delta-Sigma ADC operating at a temperature of up to 250C in Standard 0.18 $μ$m SOI CMOS

Authors:Christian Sbrana, Alessandro Catania, Tommaso Toschi, Sebastiano Strangio, Giuseppe Iannaccone
摘要: 一些应用要求电子系统在极高的温度下运行。通过使用专用的设计技术来扩展汽车级CMOS工艺的运行温度范围,可以提供重要的成本效益优势。我们展示了一个二阶离散时间ΔΣ模数转换器(ADC),它可以在高达250 $^\circ$C的温度下工作,远远超过用于其制造的汽车级CMOS工艺(XFAB XT018)的175 $^\circ$C合格温度。该模数转换器集成了有效减轻高温不利影响(如漏电流增加和电迁移)的设计技术。我们使用假晶体管配置来补偿漏电流,采用时钟提升方法来限制传输门串扰,并优化了电路架构以确保在高温下的稳定性和准确性。全面测量表明,该模数转换器在250 $^\circ$C时信号噪声比超过93 dB,有效位数为12位,功耗仅为44 mW。转换器的裸片面积仅为0.065 mm$^2$,而高温缓解电路的面积开销仅为13.7%。Schreier优值在最高温度250 $^\circ$C时为140 dB,证明了该电路在诸如油气开采和航空等具有挑战性的应用中的可靠性潜力。
摘要: Some applications require electronic systems to operate at extremely high temperature. Extending the operating temperature range of automotive-grade CMOS processes -- through the use of dedicated design techniques -- can provide an important cost-effective advantage. We present a second-order discrete-time delta-sigma analog-to-digital converter operating at a temperature of up to 250 $^\circ$C, well beyond the 175 $^\circ$C qualification temperature of the automotive-grade CMOS process used for its fabrication (XFAB XT018). The analog-to-digital converter incorporates design techniques that are effective in mitigating the adverse effects of the high temperature, such as increased leakage currents and electromigration. We use configurations of dummy transistors for leakage compensation, clock-boosting methods to limit pass-gate cross-talk, and we optimized the circuit architecture to ensure stability and accuracy at high temperature. Comprehensive measurements demonstrate that the analog-to-digital converter achieves a signal-to-noise ratio exceeding 93 dB at 250 $^\circ$C, with an effective number of bits of 12, and a power consumption of only 44~mW. The die area of the converter is only 0.065~mm$^2$ and the area overhead of the high-temperature mitigation circuits is only 13.7%. The Schreier Figure of Merit is 140~dB at the maximum temperature of 250 $^\circ$C, proving the potential of the circuit for reliable operation in challenging applications such as gas and oil extraction and aeronautics.
评论: 9页,6个图。该作品已提交IEEE以供可能发表。
主题: 信号处理 (eess.SP) ; 硬件架构 (cs.AR)
引用方式: arXiv:2501.00482 [eess.SP]
  (或者 arXiv:2501.00482v1 [eess.SP] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.00482
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Giuseppe Iannaccone [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2024 年 12 月 31 日 15:11:05 UTC (34,626 KB)
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