CN103384816A - 半导体温度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于集成电路的温度传感装置，包括振荡器（2）和数字计数器（16），振荡器（2）具有依赖于温度的特征频率，数字计数器（16）被设置成对给定的时间间隔内由振荡器（2）产生的若干脉冲进行计数或对振荡器产生给定数目的脉冲所用的时间进行计时。这两种情况都给出测量值。所述装置被配置为在线性化算法中使用测量值与存储的参考值之间的差值来估计温度。

Description

半导体温度传感器
技术领域
本发明涉及感测温度的装置和方法，尤其是在基于半导体的集成电路的背景下的感测温度的装置和方法。
背景技术
本领域中已知的一种半导体装置，所述装置具有测量其附近温度的设施。例如，Kisoo Kim、Hokyu Lee、Sangdon Jung和Chulwoo Kim已经在2009年IEE定制集成电路会议中提出“一种基于采用多相时钟的CMOS温度传感器的366kS/s400μw0.0013mm2频率-数字转换器”，以提供一种温度传感器，该温度传感器使用温度敏感振荡器和温度不敏感振荡器来分别使计数器增加和减少，以便指示出基于剩余计数的温度。然而，本申请人已经认识到对这种方法进行改进是有可能的。
发明内容
当从第一方面来看时，本发明提供了一种用于集成电路的温度传感装置，包括振荡器和数字计数器，振荡器具有依赖于温度的特征频率，数字计数器被设置成对给定的时间间隔内由振荡器产生的若干脉冲进行计数或对振荡器产生给定数目的脉冲所用的时间进行计时，以便在这两种情况下给出测量值，其中，所述装置被配置为在线性化算法中使用测量值与存储的参考值之间的差值来估计温度。
因此，本领域技术人员将看出，根据本发明，温度敏感振荡器用于通过将来自于其振荡的计数与存储的参考值进行比较而给出其环境温度的估计值。然后，该差值在线性化算法中被用来计算温度。这反映了申请人的认识，即在所需的温度测量范围内，振荡器的振荡频率对温度的依赖可能不是线性的。该线性化算法可以通过理论或经验预先确定（或两者的混合），或者可以至少在一定程度上基于其他因素，例如其他测量参数来动态地确定。已经发现，在根据本发明的至少某些实施例中，温度传感器可被设置在半导体装置上，该半导体装置在整个所需的温度范围（例如，-40℃至+85℃）内具有高精确度，同时给出低的电流消耗和在芯片上非常小的额外面积。此外，有可能用非常短的测试时间来达到良好的精确度，该非常短的测试时间能够产生相对高的转换率，例如，高达每秒3万次采样，同时使得功耗最小。
依赖于温度的振荡器可以采取许多形式，但在一组优选的实施例中，它包括一个环形振荡器，优选地包括在环内连接在一起的多个反相器，使得一个反相器的输出是环内下一个反相器的输入。环形振荡器在半导体上是相对容易实现的，并且其在芯片上空间的使用方面是相对高效的。
虽然本发明可通过测量振荡器生成给定数目的脉冲所用的时间来实现，但优选的是测量在给定的时间内产生的脉冲的数目。在某些情况下，具有固定的测量时间是有利的，它可以在精确预测的时间内得出温度测量值。
在一组优选的实施例中，时间测量是通过对由第二振荡器所产生的脉冲数目进行计数来实施的，第二振荡器在所需的测量范围内对温度具有低的或可忽略不计的依赖性。在优选的实施例中，第二振荡器包括晶体振荡器，该晶体振荡器方便地用来对集成电路的其余部分进行计时，虽然这并不是必需的。
频率依赖的振荡器可以被设置为连续地运行，虽然优选地该装置被配置为仅当需要测量温度时才激活频率依赖的振荡器。对温度测量的请求可来自装置内部的过程、来自外部装置、或者可根据时序表进行确定。如果在接收到温度测量请求时，第二定时振荡器没有激活，则可将其激活。
优选地，所述集成半导体装置包括无线电发射机。
所存储的参考值可以在装置操作期间获得，例如使用另一温度测量装置来进行校准来获得，但更方便的是在生产过程中进行校准时存储该参考值。优选地，所存储的参考值对应于在15度至35度范围内的温度。该线性化算法可以采取任何方便的形式，但是在一组优选的实施例中，该线性化算法包括多个样条函数，例如拟合已知的温度-频率关系的线性或二阶多项式样条函数。
该线性化可以在计算中任何方便的时候应用，例如，在转换为温度值前或在此转换后，应用到来自计数器的原始计数。不需要在整个温度范围内应用线性化，在温度范围内一个或多个可确定为足够线性的部分不需要应用线性化。
附图说明
现在将仅通过示例的方式，参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1是本发明的一个实施例的模拟部分和数字部分的各自的示意图；
图2是一个典型的环形振荡器的温度和频率之间的非线性依赖关系的代表性的曲线图；
图3是来自于图2中的曲线的温度和频率之间的模拟关系；
图4是图1中所示的实施例的变型的示意图。
具体实施方式
转到图1，可以示意性地看到根据本发明的一个实施例的温度传感装置的主要元件。该装置被分为两个主要部分：模拟部分2和数字部分4。模拟部分2包括本领域中已知的一般形式的环形振荡器。简单地说，电压参考元件6被连接为电压缓冲器8的输入。参考电压是通过迫使10uA的参考电流进入输入和输出连接在一起的CMOS反相器的供压端口而产生的。这提供了反相器的阈值电压的大约两倍的缓冲输出，作为参考电压提供给一系列的N个反相器101、102、...10N。这种设置使得振荡频率对于过程和电源电压的变化较不敏感，并且抑制来自电源的噪声。反相器101、102、...10N进一步连接在一起，使得每一个的输出连接到下一个的输入。这些反相器中的一个10N的输出连接到电平移位器12，电平移位器12的输出14以适当的电平向电路4的数字部分提供规则的脉冲。在一个例子中，环形振荡器包括23个反相器，即N=23。
来自环形振荡器14的脉冲输入被馈送入第一计数器16。数字电路4还包括第二计数器18，第二计数器18接收来自16MHz晶体振荡器（未示出）的时钟输入20，16MHz晶体振荡器是整个半导体装置的主要时钟源，这里描述的电路2、4是整个半导体装置的一小部分。第二计数器18还接收控制输入22，控制输入22确定第二计数器18何时运行。
来自第二计数器18的一个输出端24用来使得第一计数器16能够在预先设定的时间内进行计数操作，该预先设定的时间对应于来自晶体时钟输入20的预先设定数目的脉冲。这是由控制输入22所初始化的。来自第二计数器的另一输出26向环形振荡器2提供控制信号，以便能够使得环形振荡器2在第一计数器16开始启动计数之前不久接通电源，从而允许模拟部分启动和去抖。例如，可能会实现一种48个晶体时钟周期的延迟。第三输出28给出信号：表明第二计数器18何时已经达到指定的计数，即何时已经进行测量。
第一计数器16给出了一个输出30，输出30是一个二进制的数字，对应于在计数期间所计的环形振荡器的脉冲的数目。这个数字当然是最终依赖于环形振荡器2的特征振荡频率，而环形振荡器2的特征振荡频率则依赖于环境温度。
图2示出了环形振荡器2的若干不同的实际实施方式的特征振荡频率和温度之间的关系的各种曲线。这些曲线之间的差别反映了制造偏差的影响。特别是将会看到这些曲线相对于彼此稍微偏移，但却具有大致相同的形状。虽然所绘制的这些曲线的形状几乎是线性的，但不十分线性。图3示出了基于这些曲线的平均的二阶多项式曲线拟合。有可能是其他的近似，例如线性样条函数的简单组合。图3中所示的近似关系被编程到解码器32，该解码器32接收来自第一计数器的原始温度测量计数30作为输入。然后，该解码器32使用该计数值和存储的参考校准值36，在基于图3中所示的拟合曲线的算法中计算温度的估计值，该估计值被提供到输出34上，存储的参考校准值36被存储在该装置上其他地方的寄存器（未示出）中。
现在将描述在图1中所示的装置的操作。每当需要读取温度时，就在第二计数器18的控制输入22上接收信号，这可能是根据固定的时间表或根据硬件、固件或软件的要求。这引起其输出24、26分别激活第一计数器16和环形振荡器2。在环形振荡器2中，高脉冲以依赖于环境温度的速率从一个反相器10波动到沿着环的下一个反相器。因此，其中一个反相器10N的输出14给出周期脉冲，其频率依赖于温度。在一个实施例中，在整个温度范围（-40℃至+85℃）内，该频率在40MHz和80MHz之间变化，因而在常温度下的频率是约60MHz。
来自环形振荡器的输出脉冲14由第一计数器16进行计数。同时，第二计数器18正在对来自16MHz时钟输入20的脉冲进行计数。当第二计数器达到一个预定的计数时，例如对应于32微秒的时间的512，到达第一计数器16的激活信号24被降低，使得第一计数器16停止计数。由第一计数器16进行计数并存储在第一计数器内的寄存器中的12位数字与环形振荡器的频率成正比，从而依赖于温度。这个原始的、依赖于温度的数字被提供在解码器32的输出28上，解码器32使用图3所示的模型关系和其校准输入36上提供的校准的偏移值将该数字转换成温度。在解码器的输出上给出的产生的温度信号34是10位的数字，该数字给出温度至最接近的1/4℃，并可用于馈送到显示器，监视模块，以便通过无线电链路进行传输或实际上用于任何其他的用途。
现在将更加详细地给出上述实施例的具体例子。
为了获得足够的精确度，必须对足够数目的脉冲进行计数。因为这两个振荡器（晶体时钟20和环形振荡器2）是不同步的，在环形振荡器的输出14上测量的单个脉冲将会有固有的不确定性。在一个示例性实施例中，第一计数器16是12位计数器，计数间隔为16MHz晶体时钟的512个脉冲。如果环形振荡器2的标称室温频率为60MHz，它在第一计数器的输出端30处给出了典型的计数值读数512*60/16=1920。
如果温度系数为-3600ppm/℃，+1℃的温差会导致计数值变化等于1*3600e-6*1920=-6.9个周期。即，一个周期的测量不确定性相当于1/6.9=0.15℃的测量误差，这是完全可以接受的。
除了512个脉冲的计数间隔外，需要一定的时间来启动模拟部分并需要一些周期用于环形振荡器2的去抖。因此，在环形振荡器脉冲14开始计数之前，增加16MHz晶体振荡器的48个周期的延迟。因此，总的测量时间将是512+32+16=560个周期16MHz=35微秒。这允许支持高的采样频率（例如，如果需要的话可高达每秒约3万次采样）。
正如前面提到的，来自第一计数器16的12位原始数据30在被输出前必须被解码为以度为单位的温度。如果使用固定的倍增常数的话，可以完全组合地做到这一点。在这个具体的例子中，应用简单的线性化。已经发现，下面的方程式在室温附近（+10℃至+50℃）给出了可接受的精确度：
T4=k2–k1*tempSensRaw，（其中T4是以1/4℃为单位的温度）
其中常数是：
k1=1/2*(1+1/8+1/16)=0.5938
k2=512+tempSensCalib
tempSensRaw是由第一计数器16在其输出30处提供的原始计数；
tempSensCalib是被供应到校准输入36的存储参考值。
在室温下，tempSensRaw的典型读数=1920，并且tempSensCalib的默认值720给定了k2=512+720=1232。将这代入方程式（并除以4以得到摄氏度）给出：
T4=1232–0.5938*1920=91.9
T=T4/4=91.9/4=23.0℃
正如上面所提到的，在+10℃至+50℃的温度范围内，这个简单的方程式工作得很好。超出此范围，测量的非线性曲率产生负偏移，该负偏移朝温度范围的每一端递增。
已经使用一种简单的线性化方法来改善这一点：
如果(T4<40)，那么
T4_LIN=T4+1/4*(40-T4)
否则，如果(T4>160)
T4_LIN=T4+1/4*(T4-160)
否则
T4_LIN=T4
其中，T4和T4_LIN分别是以0.25℃为单位的测量的温度值和线性化的温度值。
换句话说，在测量的温度+10℃以下，测量值在读出前加上与+10℃的测量差值的四分之一。同样在+40℃以上，测量值在读出前加上与+40℃的测量差值的四分之一。
初始零点校准是在制造后在工厂内进行的。上面描述的算法是在固定的温度（如25℃）下运行的，并且从环形振荡器产生的计数被用作为算法的输入来计算存储在芯片上的参考值。基于该（经验验证的）假设，即这条曲线的形状在工艺变化的通常范围内是非常相似的并且只有偏移受到这种变化的影响，使用在图3中描绘的模拟的频率对温度的依赖性，解码器有效地使用测得的计数值30与参考值36之间的差值来计算实际温度与校准温度（例如25℃）之间的温度差（正的或负的）。
在实验中已经发现，通过采用实施本发明的装置，可以达到<1％的温度精确度，这与基于已知的板上芯片温度传感器的只有5％-10％的典型精确度相比毫不逊色。此外，这几乎不增加我们的布局区域内的元件数量就可实现。
本发明的另一个实施例示于图4中。这与图1中所示的实施例是相同的（并因此使用共同的附图标记），除了已增加一些附加元件40以助于确保振荡器在受控制的（稳定的）状态下启动。这有助于消除多个“波”同时在回路循环的潜在问题。由于增加的电路40，在第一反相器输入上实现了强有力的拉到“高电位”，同时电源电压VDDOSC上升。当电源电压VDDOSC已经充分升高时，PMOS晶体管被关断，并且开始振荡。
在本发明的范围内可以对所描述的实施例做出许多变化和修改。例如，不必在固定的时间对来自依赖于温度的振荡器的脉冲进行计数；相反，可以测量达到给定的计数所用的时间。此外，环形振荡器不是必需的，可以使用具有适当的温度依赖性的其他类型振荡器。

Claims (13)

1.一种用于集成电路的温度传感装置，包括振荡器和数字计数器，所述振荡器具有依赖于温度的特征频率，所述数字计数器被设置成对给定的时间间隔内由所述振荡器产生的若干脉冲进行计数或对所述振荡器产生给定数目的脉冲所用的时间进行计时，以便在这两种情况下给出测量值，其中，所述装置被配置为在线性化算法中使用在所述测量值与存储的参考值之间的差值来估计温度。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述振荡器包括环形振荡器。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述振荡器包括在环内连接在一起的多个反相器，使得一个反相器的输出是所述环内下一个反相器的输入。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其被设置成测量在给定的时间内产生的脉冲的数目。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其被设置成通过对由第二振荡器所产生的脉冲数目进行计数来实施所述时间测量，所述第二振荡器在所需的测量范围内对温度具有低的或可忽略不计的依赖性。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述第二振荡器包括晶体振荡器。
7.如权利要求5或6所述的装置，其中，所述第二振荡器用于对所述集成电路的其余部分进行计时。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其被配置为仅当需要测量温度时才激活依赖于频率的振荡器。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述集成电路包括无线电发射机。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所存储的参考值对应于在15度至35度范围内的温度。
11.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述线性化算法包括多个样条函数，例如拟合已知的温度-频率关系的线性或二阶多项式样条函数。
12.一种集成电路，包括如前述权利要求中任一项所述的温度传感装置。
13.如权利要求12所述的集成电路，包括无线电发射机。
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