This thesis presents the design and implementation of a low power temperature sensor with digital outputs for on-chip temperature monitoring applications. The temperature sensor is based on the substrate bipolar transistor which generates the bandgap reference voltage and proportional to absolute temperature (PTAT) voltage. The bandgap reference voltage is temperature and supply independent thus it is used to generate the reference signals for Analog to Digital Converter (ADC), while the PTAT voltage generated by the temperature sensor is connected to the input of the ADC. The ADC is implemented with a Successive Approximation Register (SAR) ADC, which converts the analog temperature signal to a 12-bit digital data. The SAR ADC with a split capacitive array Digital to Analog Converter (DAC) is chosen for low power and low area advantages for medium resolution applications. All the bias voltages and bias currents are generated with respect to the reference currents that are generated from the bandgap voltage. The configuration of the bias signals and operation specifications are all configurable through the Serial Programming Interface (SPI). The digital controller provides the communication with external electronics through SPI, controlling the process parameters via configuration memory and on-chip calibration. The on-chip calibration is designed to compensate the errors coming from predominantly small temperature variations of the ADC bias voltages generated in the bias generator, ADC noise, comparator offset voltage, and nonlinearity of PTAT voltage. The output data format is a serial 12-bit data generated by the output serializer block. The number of output pads decreased by a serializer block, reducing the required power and area. The external pins include only power and SPI communication pins. The operation region of the temperature sensor is between -55 ºC to 125 ºC. A resolution of 0.08 ºC is achieved by the 12-bit SAR ADC. The total power consumption of the full chip is at most 2 mW with a 3.3 V power supply. The full chip is designed and implemented using a 0.35 μm CMOS process in an area of the 2 mm × 2 mm, and it is submitted to a multi-project wafer (MPW) run for fabrication.

Bu tez çip içinde sıcaklık görüntüleme uygulamaları için düşük güç tüketimli sayısal çıkışlı sıcaklık sensörü tasarım ve uygulamasını sunmaktadır. Sıcaklık sensörü mutlak sıcaklığa orantılı voltaj üreten dikey bipolar tranzistorlü band aralığı referans kavramı baz alınarak tasarlanmıştır. Band aralığı referans voltajı sıcaklık ve güç değişiminden etkilenmez, bu yüzden analog-sayısal çevirici için referans voltaj ve akım üretmede kullanılır. Analog-sayısal çeviricinin girişine sıcaklık sensörü tarafından mutlak sıcaklığa orantılı üretilen voltaj uygulanır. Analog sıcaklık sinyalini 12-bitlik veriye çevirmek için ardışık yaklaşıklama kaydedicili analog-sayısal çevirici tasarlanmıştır. Ayrık kapasitör dizilişli sayısal-analog çevirici yapısı orta çözünürlük uygulamalarındaki düşük güç ve küçük alan avantajından dolayı ardışık yaklaşıklama kaydedicili analog-sayısal çevirici için seçilmiştir. Tüm voltaj ve akım kutuplama sinyalleri kutuplama bloğu tarafından band aralığı referans voltajı baz alınarak üretilmiştir. Kutuplama sinyalleri ve işlem isterleri seri programlama arayüzü kullanılarak yapılandırılır. Sayısal denetleyici bloğu seri programlama arayüzü vasıtasıyla dışarıyla iletişimi, işlem değişkenlerinin kontrollerini ve çip içinde kalibrasyon sağlar. Çip içinde yapılan kalibrasyon çoğunlukla analog-sayısal çevirici için kutuplama bloğu tarafından üretilen sinyallerin sıcaklıkla değişmesinden kaynaklanan sapmaları, analog-sayısal çevirici gürültüsünü ve karşılaştırıcı devresinde oluşan sapma voltajını denkleştirir. Çıkış verisi çıkış sıralandırıcısı tarafından seri 12- bit veri formunda üretilir. Sıralandırıcının çıkış ped sayısını azaltması güç ve alan kazandırır. Dış pinler sadece güç ve seri programlama arayüzü pinleridir. Sıcaklık ölçüm aralığı olarak -55ºC-125ºC sıcaklık bandı referans alınmıştır. 12-bit ardışık yaklaşıklama kaydedicili analog-sayısal çeviricisiyle 0.08 ºC çözünürlük elde edilmiştir. Toplam güç tüketimi kutuplama devresi hariç 3.3 V güç kaynağında 2 mW'tır. Tüm çip 2 mm × 2 mm alana 0.35 μm CMOS teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilmiş ve üretime gönderilmiştir.