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近年来,因轮胎爆胎引起的安全事故逐渐受到人们的高度重视,各国相继出台相应的TPMS行业标准,全球TPMS产业得到迅猛发展。目前我国汽车TPMS系统装配率还未超过10％,且关键芯片大部分由国外进口,因此研究拥有自主知识产权的TPMS系统芯片既有巨大的市场潜力,又能弥补我国在汽车安全电子领域关键芯片的缺失。高性能的胎压监测系统追求更高的精度、更低的功耗和更高的可靠性,要求传感器读出芯片具有更高的分辨率和更低的功耗。同时单电池供电、长达至少六年的工作寿命对系统待机休眠状态下关键低功耗模块提出了苛刻的超低功耗要求。 本文基于我国TPMS行业标准,主要研究了有源式汽车胎压监测发射系统模拟前端电路,研究内容主要包括压力传感器信号调理电路、CMOS高精度温度传感器以及TPMS发射系统待机休眠状态下低功耗关键模块的功耗优化。基于NEC0.35μm标准CMOS工艺,本文成功地流片验证了一款全开关电容实现的全差分结构的传感器信号调理芯片,芯片面积为6.1mm2。芯片电源电压工作范围为2.1V～3.6V,传感器读出电路输入接口支持增益16、20和24倍可调,模数转换模块支持有效位数13bits和9bits可控,有效位数为13bits的单次量化过程仅消耗电量2.2μC。单片集成的CMOS温度传感器经室温单点校准后在-55℃～125℃温度范围内精度误差不超过±1℃。本文还设计和优化了超低功耗的基准电压产生电路和超低功耗MCU休眠时钟电路,典型情况下静态电流分别仅为6nA和6.6nA,大大降低了TPMS系统待机状态下的电量消耗,芯片工作温度范围涵盖整个TPMS系统工作温度区间。通过优化固定增益放大器和检波模块,整个低频唤醒模块典型情况下的静态电流仅为0.95μA。 本文创新性的研究成果包括: 1、根据TPMS系统温度传感器高精度和低功耗的要求,设计实现了一种基于开关电容相关双采样结构的带隙基准电压产生电路。这种架构有效地抑制了运放输入失调电压和(1)/f噪声的影响,降低了对运放直流增益和压摆率的要求,有利于温度传感器低功耗、高精度的实现。 2、流片验证了一款基于NEC0.35μm标准CMOS工艺的传感器信号调理芯片,芯片面积为6.1mm2,有效位数为13bits的单次量化过程仅消耗电量2.2μC。芯片内部单片集成了基于标准CMOS工艺中寄生PNP管实现的高精度CMOS温度传感器,温度传感信号复用压力传感器信号调理通路,大大降低了芯片硬件成本。温度传感器内部设计实现了基于伪随机序列实现的动态匹配结构以抑制比例结构的失配,经室温单点校准后在-55℃～125℃温度范围内精度误差小于±1℃。 3、改进了二阶级联结构增量型ADC的运放输入失调电压补偿时序,通过在积分时序中间周期切换运放输入和输出端口的极性,同时翻转第二级积分器的积分电荷,实现了运放输入失调电压的有效补偿,避免了传统失调电压补偿结构对输入信号通路的扰动,大大简化了补偿时序的复杂度。 4、设计了基于MOS管阈值电压的超低功耗基准电压产生电路,电路基于单一阈值的标准CMOS工艺实现,降低了系统工艺成本。内部基准电流产生电路基于MOS管自偏置共源共栅结构实现,整体电路没有使用任何电阻元件,典型情况下电路静态电流仅为6nA。同时基于PMOS管实现的高温泄漏电流消除技术,芯片工作温度范围扩展到-55℃～125℃。 5、基于两级充放电结构的张弛振荡器,采用PMOS管自偏置共源共栅结构的基准电流产生电路,设计了典型情况下静态电流仅为6.6nA的超低功耗MCU休眠时钟产生电路,时钟输出频率为0.5Hz～4Hz可调。 6、改进了低频唤醒电路的检波模块,信号检测功能基于脉冲开关电容充放电结构实现,不仅简化了电路结构,而且避免了传统的电容峰值跟随结构中运放产生的功耗。通过优化可变增益放大器和信号检波结构,整个低频唤醒电路典型情况下静态电流仅为0.95μA。