CN101782439A

CN101782439A - 用于温度传感器的比率计

Info

Publication number: CN101782439A
Application number: CN200911000138A
Authority: CN
Inventors: K·卢里亚; J·绍尔; O·达德谢乌
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: US20100164552A1; DE102009060298A1; US8136987B2; DE102009060298B4; CN101782439B

Abstract

在一些实施例中，提供了一种新的DTS实现方式，其采用现有的Vbe/ΔVbe温度相关原理，但是用基于电压-频率(V/F)的比率计代替基于DAC的比率计。这种新方式能够导致更加简化的电路，该电路可以有更大的变化容许度，并且能够需要更少的功率和面积。

Description

用于温度传感器的比率计

背景技术

图1示出现有数字温度传感器(DTS)，其使用与现有比率计(ratiometer)电路101耦合的公知类型带隙电路104。比率计电路101包括基于电流源的DAC(数模转换器)106，以基于对比较器108输出的Vout值的零位调整来生成温度相关函数M(用于DAC的乘数)。带隙电路104可以包括基于标准二极管的PTAT(与绝对温度成比例的)模块，其产生两种温度相关DC电压Vbe和ΔVbe。在一些实施例中，Vbe电压有负温度斜率，而ΔVbe电压有正温度斜率或者平坦(flat)温度斜率。通过DAC 106，将ΔVbe电压乘以因子M。DAC 106可以包括诸如在图2中示出的现有的电流源型DAC。在该示例中，M是与模拟电平相对应的离散的4位的值，其乘以ΔVbe，得到值MΔVbe(还被称为Vref电压)。Vref电压具有正温度相关性或者平坦温度相关性，其斜率和偏移由M确定。图3的视图示出了Vbe和在不同M值下的Vref的不同示例性曲线，并且示出了Vbe和Vref如何关联于温度。

比较器108用于检测当负斜率的Vbe电压与正斜率或者平坦斜率的Vref电压相交时(即当Vbe-Vref＝0时)的M值。M值对应于具体温度，能够通过使用任何适当的方式，例如通过查找表，来确定该温度。因为M是Vbe与ΔVbe的比率，所以能够看出电路101起到比率计的作用，其中该比率对应于带隙电路104的温度。

然而，该方式由于采用了电流源型DAC而存在缺点。对于最低有效(LS)位，只使用了几个晶体管，但是每个后续位都使晶体管的数目倍增。(图2中示出，每一位的路径都具有单个基准晶体管PiA，但是，取决于电路如何被实施，每个晶体管实际上可以包含一个或多个晶体管，以得到适当的二进制加权DAC。)当有必要覆盖有效动态范围时，典型地会因正常的工艺变化而产生问题。例如，取决于设计方面的考虑，可能需要9位或者甚至10位的DAC范围。(当采用非二进制加权的实施例时，将会需要甚至更多位。)在这些情况下，晶体管数目变得惊人的高，并且这些晶体管可能分布在很大的面积上，这可能产生诸如过度泄露、V_T变化、R₀和沟道效应变化等副作用问题。这些副作用可能增加例如由校准与系统操作之间的DAC性能差异所引起的测量误差。另外，当在不同组电流源之间进行切换时，上述变化可能使电流成为数字位的非单调函数。这可能导致显著的温度误差。另一问题可能是DAC的较差的PSRR(电源抑制比)，这典型地需要良好的SFR(超滤调节器(super filtered regulator))来对DTS供电。增加SFR会导致面积和功耗的增加以及对校准的额外需要。

因此，需要一种新的方法。

附图说明

在附图的视图中以示例的方式而不是以限制的方式示出了本发明的实施例，其中同样的标号指代类似的元件。

图1是现有温度感应电路的示意图。

图2是用于图1的温度感应电路的数模转换器(DAC)的示意图。

图3是示出图1的温度传感器的Vbe值以及在不同M值下的Vref值的视图。

图4是根据一些实施例的具有基于振荡器的比率计的温度传感器的示意图。

图5是根据一些实施例的适用于图4的比率计的振荡器电路的示意图。

图6是根据一些实施例的适用于图4的比率计的频率比率计电路的示意图。

图7是示出根据一些实施例的图4的电路的电压频率比率曲线与温度的相互关系的示意图。

图8是根据附加实施例的具有基于振荡器的比率计的温度传感器的示意图。

图9是根据一些实施例的具有处理器的计算机系统的示意图，其中，该处理器具有温度传感器，并且该温度传感器具有比率计。

具体实施方式

在一些实施例中，提供了新的DTS实现方式，其可以采用现有的Vbe/ΔVbe温度相关原理，但是用基于电压-频率(V/F)的比率计代替基于DAC的比率计。这种新方式能够导致更加简化的电路，该电路可以有更大的变化容许度，并且能够需要更少的功率和面积。

图4示出了根据一些实施例的DTS的示意图。该DTS包括比率计401，该比率计401具有电压-频率(V/F)转换器(或者振荡器)404(V/F1)、406(V/F2)和作为比率计算器的分频器(F1/F2)408，该比率计401如所示耦合于现有带隙电路104以提供温度因子M，该温度因子M的值对应于带隙电路中的温度。带隙电路104包括基于二极管的PTAT模块，其产生两种温度相关DC电压，即Vbe和ΔVbe。在一些带隙电路中，ΔVbe有时可以被称作Vref等。(例如，参见例如Barba等人在1999年5月在IEEEJOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS的第34卷第5期中发表的“ACMOS Bandgap Reference Circuit with Sub-1-V Operation”)

Vbe和ΔVbe电压具有不同的温度斜率。在一些具体实施中，Vbe具有负温度系数，而ΔVbe/Vref具有正温度系数或者零(平坦)温度系数。

假设所述V/F电路是适当地类似的，即，具有适当地类似的增益常数(α)，则从V/F1产生的频率(F1)将会是α/ΔVbe，并且从V/F2产生的频率(F2)将会是α/Vbe。因此，当在分频器408中F1被F2分频时，结果为Vbe/ΔVbe，该结果是电压(或者频率)比率M。然后，例如通过查找表等能够将该值M与具体温度相关联。图7是示出F的示例性比率函数(例如，F1/F2)以及V的示例性比率函数(例如，Vbe/ΔVbe)的曲线图，这些示例性比率函数是温度的函数。(在理想条件下，这两个函数会是相同的；但是，在采用实验得出的数据的情形下，作为非理想元件的结果，这两个函数尽管非常接近但会稍微偏离。)

在两个V/F电路非常不同的情形下，作为随机偏移的结果，有可能对输入加以“斩波”。在该过程中有两种测量。在第一测量中，ΔVbe连接于V/F1，而Vbe连接于V/F2。F1/F2的值被存储为M1。在第二测量中，输入被切换，ΔVbe连接于V/F2，而Vbe连接于V/F1，并且F1/F2的值被存储为M2。M1和M2这两个值的平均值是更加准确的温度。

图5示出根据一些实施例的可以在比率计中使用的电压-频率电路。该电路包括如所示耦合在一起的开关晶体管(N1、N2)、触发器(FF)、比较器(Cmp1、Cmp2)、充/放电电容器(C1、C2)和共射共基电流镜像晶体管(M)。

在一些实施例中，充/放电电容器(C1、C2)是金属电容器。这两个电容器分别起到积分级的作用，并且被适当地恒定且相等的电流(I1、I2)加以充电，从而导致所期望的增益线性度和宽输入电压(Vin)范围。为了得到具有良好PSRR和低沟道效应的所期望的恒定电流，使用了升压共射共基电流镜像技术，其中从带隙模块自身对电流进行镜像。(这不是必需的，但是可以提高精度并且减少因工艺变化等引起的误差。)因为在许多情形下可以利用例如1.6～1.8V的充足电源，所以共射共基电流镜像晶体管能够有充足的余量。

电容器耦合到比较器Cmp1和Cmp2，比较器的输出耦合到触发器。通过这种配置，电容器C1和C2中的每一个以交替的顺序被充电。在C1充电时，C2通过晶体管N2放电。当C1上的电压达到比较器(Cmp1)阈值(Vin)时，触发器翻转，然后，C2在C1通过N1放电的同时进行充电，直至达到Cmp2阈值(也是Vin)。该过程继续进行，从而产生与Vin的电平成反比的输出频率(F)。

图6示出根据一些实施例的可以用于分频器408的频率比率计算器。该计算器是数字计算器，其确定与F1和F2的比率相对应的值M’。(F1/F2计算器实际上找到一个值M’，其中当该值M’除以常数值时得到比率M)。该计算器包括如所示耦合在一起的两个计数器Cntr1和Cntr2以及AND门U1和U2。该计算器不需要外部时钟，因此使得热传感器能够执行例如不取决于PLL的功能，这可能是有益的，因为在例如由关机或者受损电路操作而引起的过热情形下这些功能可能失效或者受损。

在操作中，假设F1和F2都运行，在重置(Reset)#被释放之后，两个计数器同时开始计数。在开始时，在计数期间内，Cntr2的MSB#位为‘1’，由此使得F1和F2信号经由其AND门而被使能。两个计数器计数，直至MSB#位变为‘0’，这使得AND门失效。因此，第二计数器的MSB#位可以称为“停止计数”位。计数被停止，直至下次Reset#有效。这样，对于每次计数，在Cntr2中总是存在同样的值(称为Count2)。Count2值将是与MSB#变为有效且其它位未变为有效的情形相对应的值。

因此，当计数已经停止时，Cntr1计数器的位将包含数值(M’)，其表示F1/F2除以Count2之间的比率。作为示例，在Cntr2是十一位计数器的情形下，似乎Cntr2总能够计数到2048。Cntr1计数器因此包含温度相关比率M*Count2，并且因此，可以通过简单地将Cntr1中的值除以Count2来容易地得到M。然而，应当意识到，既然无论使用何种方法从M中提取温度都要除以常数Count2，那么上述运算将不是必需的。即，例如，如果使用查找表，则可以调整所述值以将Count2值考虑在内。在另一种方式中，可以将所述值指定为与Cntr1相关联。

这样使用计数器的优点在于，计数器有效地抑制由振荡器产生的振荡器闪烁噪声。即，因为计数器能够提供所计数的脉冲的平均数，所以计数器将会典型地阻止由振荡器引起的任何开关噪声，从而起到低通滤波器的作用。通过这种滤波，还将会典型地限制热噪声的影响。

应当意识到，可以使用能够实现本文所述的各种功能的任何适当的电路。例如，使用带隙电路以产生两种温度相关电压。然而，为了对温度进行感应，可以使用产生具有不同温度相关性的两种信号(例如，电压信号)的任何电路。例如，可以使用基于晶体管的PTAT。而且，如图4所示的两种振荡器的使用是可选的。例如，能够使用诸如图8所示的单个振荡器。Vref和Vbe信号可以例如经由复用器802依次耦合于振荡器。可是，在这种情形下，在F1/F2分频器中可能需要计时器或者时钟，以便在同一期间内对每个频率“计数”。还可以扩展对振荡器的选择。然而，这些振荡器应当相对于其输入电压是线性的。振荡器还应当在Vin的高跨距下工作，该高跨距覆盖在工艺和温度变化范围内Vbe和ΔVbe(或者等效形式)的全部变化。

参照图9，示出了计算机平台的一部分的一个示例。所表示的部分包括处理器902、集线器功能模块904、存储器906、无线网络接口908和天线909。处理器902通过集线器904与存储器906及无线网络接口908相耦合。集线器功能模块904可以包括一个或多个电路模块，以执行各种接口控制功能(例如，存储器控制、图像控制、I/O接口控制等)。这些电路可以在一个或多个单独的芯片上实现，和/或可以部分或全部在处理器902内实现。处理器902包括如本文所述的至少一个温度传感器(TS)903，该TS 903具有基于振荡器的比率计。

存储器906包括一个或多个存储器模块，以将附加的随机存取存储器提供给处理器902。存储器906可以用包括但不限于动态随机存取存储器、静态随机存取存储器、闪存等的任何适当的存储器加以实现。无线网络接口908与天线909相耦合，以将处理器902无线耦合于诸如无线局域网或者蜂窝网络的无线网络(未示出)。

移动平台401可以实现多种不同的计算设备或者具有计算能力的其它装置。这样的设备包括但不限于膝上型电脑、笔记本电脑、个人数字助理设备(PDA)、蜂窝电话、音频和/或视频媒体播放器等。移动平台401可以组成一个或多个完整的计算系统，或者作为选择，可以组成在计算系统中有用的一个或多个组件。

在前述说明中，已经阐述了许多具体细节。然而，可以理解，没有这些具体细节也可以实现本发明的各实施例。在其它实例中，为了不混淆对本说明书的理解，可能未具体示出公知的电路、结构和技术。鉴于此，关于“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“各实施例”等的指代表示所说明的本发明的实施例可以包括具体特征、结构或者特性，但并非每个实施例都必须包括该具体特征、结构或者特性。此外，一些实施例可以具有一些或者所有针对其它实施例说明的特征，或者可以没有这些特征。

在上述说明书和所附的权利要求书中，下列术语可以作如下解释。术语“耦合”和“连接”可以连同它们的派生词一起使用。应当理解，这些术语并非意指互为同义词。相反，在具体实施例中，“连接”用于指两个或更多部件相互直接物理接触或者电接触。“耦合”用于指两个或者更多部件相互协同操作或者交互，但它们可能或者可能不直接物理接触或者电接触。

术语“PMOS晶体管”指的是P型金属氧化物半导体场效应晶体管。同样，“NMOS晶体管”指的是N型金属氧化物半导体场效应晶体管。应当意识到，术语“MOS晶体管”、“NMOS晶体管”或者“PMOS”晶体管无论何时被使用，除非其用途的本质明确地指出或者规定，否则它们就是以示例性的方式被使用。这些术语包括不同种类的MOS器件，这些MOS器件包括具有不同的V_T、材料类型、绝缘层厚度、门配置等的器件，此处仅列举几项。而且，除非被具体称作MOS等，晶体管这一术语可以包括其它适当的晶体管类型，例如，结型场效应晶体管、双极结型晶体管、金属半导体FET、以及现在已知或尚未开发的各种三维晶体管、MOS或者其它晶体管。

本发明不限于所述的实施例，而是能够用所附权利要求的精神和范围之内的修改和变型加以实现。例如，应当意识到，本发明可适用于所有类型的半导体集成电路(“IC”)芯片的使用。这些IC芯片的示例包括但不限于处理器、控制器、芯片组组件、可编程逻辑阵列(PLA)、存储芯片、网络芯片等。

还应当意识到，在一些附图中，用线代表信号导线。一些线可能是加粗的，以表示更多组成信号路径；一些线可能具有标号，以表示组成信号路径的标号；和/或一些线可能在一端或者多端具有箭头，以表示主要信息的流向。然而，这不应当以限制的方式加以解释。相反，这些增加的细节可以与一个或者多个示例性实施例结合使用，以便于较容易地理解电路。任何被表示的信号线，无论是否具有附加信息，实际上都可以包含可在多个方向中传播的一个或多个信号，并且可以用任何适当类型的信号方案加以实现，例如，用不同线对、光纤线路和/或单端线路实现的数字或者模拟线路。

应当意识到，可以给定示例性的尺寸/模型/值/范围，尽管本发明并不限于这样的尺寸/模型/值/范围。随着制造技术(例如，光刻)日益成熟，可以期待能够制造更小尺寸的器件。另外，为了简化说明和讨论并且不致混淆本发明，IC芯片以及其它组件的公知电源连接/地连接可以或者可以不在附图中示出。此外，可以以框图的形式示出配置，以避免混淆本发明，并且也是鉴于如下事实：与实施这种框图配置有关的细节高度地取决于实施本发明的平台，即，这些细节应当是本领域技术人员可以充分预料到的。在为了说明本发明的示例性实施例而阐述了具体细节(例如，电路)的情况下，本领域技术人员应当清楚，可以在不改变或者改变这些具体细节的情形下实现本发明。因此，应当认为本说明书是说明性的而不是限制性的。

Claims

1.一种芯片，包括：

至少一个电压-频率(V/F)转换器，用于接收第一参数相关信号和第二参数相关信号；以及

用于产生与所述参数的值相对应的数值或计数的电路，所述值对应于所述第一参数相关信号和所述第二参数相关信号。

2.如权利要求1所述的芯片，其中，所述电路是计数器。

3.如权利要求2所述的芯片，其中，所述第一参数相关信号和所述第二参数相关信号包括具有对于所述参数的不同相关性的第一参数相关电压和第二参数相关电压。

4.如权利要求2所述的芯片，其中，所述参数代表温度。

5.如权利要求4所述的芯片，其中，所述第一电压和所述第二电压间的比率与温度之间的对应关系是线性的。

6.如权利要求4所述的芯片，其中，所述第一电压和所述第二电压由PTAT电路产生。

7.如权利要求5所述的芯片，其中，所述第一电压是以负温度相关性下降的二极管电压Vbe，并且所述第二电压是具有零温度相关性或者正温度相关性的基准电压。

8.如权利要求4所述的芯片，其中，用至少一个电流源实现所述V/F转换器，所述至少一个电流源对电容器进行充电以产生第一积分电压，所述积分电压被输入到比较器的输入端，并且所述第一信号和所述第二信号中的至少一个也被输入到所述比较器。

9.如权利要求4所述的芯片，其中，所述V/F转换器包括至少两个电压-频率(V/F)转换器，第一V/F转换器接收所述第一电压并且输出第一频率，第二V/F转换器接收所述第二电压并且输出第二频率。

10.如权利要求4所述的芯片，其中，存在单个V/F转换器，并且所述第一电压在第一时间段期间被输入到所述V/F转换器，而所述第二电压在第二时间段期间被输入到所述V/F转换器。

11.如权利要求9所述的芯片，其中，所述第一频率和所述第二频率被输入到第一计数器和第二计数器。

12.如权利要求11所述的芯片，其中，所述计数器中的至少一个先计满，此时其停止另一个计数器。

13.如权利要求12所述的芯片，其中，在所述另一个计数器中的数值代表温度函数。

14.一种电路，包括：

第一计数器，用于对比率值进行计数；以及

第二计数器，包括用于在所述第二计数器的常数计数处使所述第一计数器停止的停止计数位。

15.如权利要求14所述的电路，包括：

第一门和第二门，用于接收第一和第二频率信号。

16.如权利要求15所述的电路，其中，所述第一门和所述第二门被所述第二计数器的所述停止计数位使能。

17.如权利要求16所述的电路，其中，所述第一门和所述第二门包括AND门。

18.一种计算机系统，包括：

具有至少一个温度传感器的处理器，所述温度传感器具有基于振荡器的比率计，以提供与所述处理器内的温度相对应的数字值。

19.如权利要求18所述的计算机系统，包括：

天线，用于将所述处理器与无线网络相耦合。

20.如权利要求18所述的计算机系统，其中，所述基于振荡器的比率计包括第一电压-频率转换器和第二电压-频率转换器，用于接收第一温度相关电压和第二温度相关电压。