MODULADOR SIGMA-DELTA TÉRMICO CMOS W. R. M. Almeida 1 , D.R. Belfort 3 , R.C.S. Freire 1 , S.Y.C. Catunda 2 , H. Aboushady 3 1 Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil, [willalmeida, rcsfreire]@dee.ufcg.edu.br 2 Universidade Federal do Maranhão, São Luis, Brasil, catunda@dee.ufma.br 3 Université Pierre et Marie Curie, Paris, France, [diomadson.rodrigues-belfort, hassan.aboushady]@lip6.fr. Abstract: In this paper we present the design of an analog- digital converter based on sigma-delta modulation using as the integrator and the comparator the sensor itself. The proposed ADC architecture allows the measurement of the quantities that interact with the sensor: temperature, thermal radiation and fluid velocity. The proposed system layout is presented for the technology CMOS 0.35 m. Simulation results from the VHDL-AMS functional model and from the Spice model are presented, showing the viability of the design. Palavras chave: Modulador Sigma-Delta Térmico, VHDL- AMS, Sensor Termo-Resistivo, Tecnologia CMOS. 1. INTRODUÇÃO Ao longo dos últimos decênios, muito se tem pesquisado com o objetivo de se obter instrumentos de medição de grandezas com maior exatidão e que apresentem resposta rápida. Uma das importantes frentes de pesquisa científicas tem como foco o desenvolvimento de elementos sensores como parte integrante do sistema de medição, uma classe deste tipo de sensores são os termo-resistivos. Estes sensores, como se pode deduzir do próprio nome, sofrem mudanças em sua resistência elétrica quando sua temperatura varia, seja esta variação provocada por efeito Joule (corrente elétrica que o atravessa), por radiação térmica incidente, por movimento de fluido que o envolve ou pela temperatura ambiente. Os sistemas de medição baseados em sensores termo- resistivos podem usar circuitos que processem o sinal em tempo contínuo ou discreto. Os circuitos que processam o sinal em tempo discreto podem ter uma resposta temporal pior que em tempo contínuo, mas em contrapartida, possuem todas as vantagens de sistemas digitais, que podem ser facilmente implementados a baixo custo, permitem adaptação e reconfiguração do sistema. Além disso, eles são versáteis e podem ser implementados de várias formas, entre elas com circuitos mistos (circuito com parte analógica e parte digital). Uma forma simples de obter a integração do sensor, circuito de condicionamento e conversão analógico-digital é utilizando o sensor integrado na malha de um modulador ΣΔ. Esse processo de integração permite a concepção de micro-sistemas com maior flexibilidade, confiabilidade, robustez e miniaturização. Assim, pretende-se desenvolver sistemas de medição com sensores termo-resistivos baseados em modulação ΣΔ. Esta topologia de circuito propõe, em última análise, o que pode ser chamado de modulador Sigma-Delta Térmico já que, na sua entrada, tem-se a grandeza física a ser medida e, na sua saída, pode-se obter tal grandeza amostrada e quantizada. Neste trabalho, propõe-se como tema o desenvolvimento de uma arquitetura de medidor utilizando moduladores ΣΔ com micro-sensor termo-resistivo, operando no modo temperatura constante, para medição de grandezas físicas. No decorrer do trabalho desenvolvido são apresentados tópicos relevantes que tratam da viabilidade de projeto, da simulação e da validação da arquitetura do sistema de medição proposto. 2. DEFINIÇÕES PRELIMINARES A temperatura é uma grandeza física que está relacionada à, praticamente, todos os tipos de fenômenos químicos e físicos que ocorrem na natureza. Isto significa dizer que reações químicas que ocorrem envolvendo determinadas substâncias, bem como as propriedades físicas dos mais variados materiais são funções da temperatura. Sendo assim, assume-se a princípio, que todas as resistências elétricas são termo-resistências, já que seus valores de resistência sofrem influência da grandeza física temperatura. No entanto, são consideradas termo- resistências apenas aquelas que possuem uma sensibilidade considerável com a temperatura, dentro de uma faixa de operação. Os sensores termo-resistivos podem ser do tipo PTC (Positive Temperature Coefficient), geralmente metálicos (platina, tungstênio, entre outros) ou NTC (Negative Temperature Coefficient). Os PTC, geralmente têm uma relação aproximadamente linear entre o valor da sua resistência e da sua temperatura, mas têm uma sensibilidade baixa. Os NTC, em geral, possuem alta sensibilidade, mas a relação entre a resistência e a temperatura é não-linear. 2.1. Equações Estáticas As chamadas equações estáticas das termo-resistências são aquelas que representam a relação existente entre a temperatura do material ou do composto de materiais que