CN105043580A - 单芯片温度感应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种单芯片温度感应装置，包括一个参考生成电路、一个第一振荡器、一个第二振荡器与一个逻辑运算模块。参考生成电路用以产生一个第一控制电压。前述第一振荡器耦接于参考生成电路并且被第一控制电压控制以输出一个第一振荡信号。前述第二振荡器耦接于参考生成电路并且被第一控制电压控制以输出一个第二振荡信号，其中第一振荡器的温度特性与第二振荡器的温度特性不同。前述逻辑运算模块耦接于第一振荡器与第二振荡器，用以依据第一振荡信号与第二振荡信号计算一个环境温度。其中第一振荡器与第二振荡器皆为温度变动振荡器。

Description

单芯片温度感应装置

技术领域

本发明关于一种单芯片温度感应装置，特別是一种不需外部参考时脉信号的单芯片温度感应装置。

背景技术

温度感应在现代集成电路设计中已成为一必要的重要角色。集成电路的特征会随着集成电路的温度变化而改变，然而，当集成电路工作时，集成电路的温度也会同时变化。在某些集成电路的应用中，集成电路的特征为度量的关键，因此有必要对于集成电路特征的变化做补偿。其中，一种简单的补偿方法是依据集成电路的温度来补偿，因此可应用于集成电路的温度感应技术已是现代集成电路设计中的必要技术。

在传统的技术中，应用于集成电路的温度感应技术需要一个外部的时脉信号来当作参考信号，然而在某些应用中，由于成本的考虑以及应用本身无法提供一个与温度独立的稳定时脉来源来当作参考信号，因此需要一个不需外部参考时脉信号的单芯片温度感应装置来解决前述问题。

发明内容

有鉴于以上的问题，本发明提出一种单芯片温度感应装置，藉由计算两个振荡信号之间的频率比，再计算出环境温度。

本发明提出一种单芯片温度感应装置，包括一个参考生成电路、一个第一振荡器、一个第二振荡器与一个逻辑运算模块。前述参考生成电路用以产生一个第一控制电压。前述第一振荡器耦接于参考生成电路并且被第一控制电压控制以输出一个第一振荡信号。前述第二振荡器耦接于参考生成电路并且被第一控制电压控制以输出一个第二振荡信号，其中第一振荡器的温度特性与第二振荡器的温度特性不同。前述逻辑运算模块耦接于第一振荡器与第二振荡器，用以依据第一振荡信号与第二振荡信号计算一个环境温度。其中第一振荡器与第二振荡器皆为温度变动振荡器。

本发明的温度感应装置当振荡信号皆为稳定时，本发明揭露的装置可计算两个振荡信号之间的频率比。由于本发明所计算出的频率比会随着环境温度变化而改变，因此本发明的频率比可用于计算出环境温度。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求保护范围更进一步的解释。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的单芯片温度感应装置的示意图；

图2A为根据本发明一实施例的振荡器的示意图；

图2B为根据本发明另一实施例的振荡器的示意图；

图2C为根据本发明又一实施例的振荡器的示意图；

图3为根据本发明一实施例的逻辑运算模块的示意图；

图4A为根据本发明一实施例的第一检测单元的示意图；

图4B为根据本发明另一实施例的第一检测单元的示意图；

图4C为对应图4B的多个信号的时序图；

图5为根据本发明一实施例的比例计算单元的示意图；

图6A为根据本发明一实施例的逻辑运算模块的示意图；

图6B为根据本发明一实施例的比例计算单元的示意图；

图7A为根据本发明一实施例的码字反转装置的示意图；

图7B为根据本发明一实施例的递减温度码字与环境温度的关系的码字对温度示意图；

图7C为根据本发明一实施例的递增温度码字与环境温度的关系的码字对温度示意图。

其中，附图标记：

11参考生成电路

13振荡器

15振荡器

17逻辑运算模块

13a、13b、13c振荡器

131、132、133反向器

OSC1、OSC2振荡信号

171第一检测单元

173第二检测单元

175a、175b比例计算单元

1711、1751、1757或栅

1713、1753、1758计数器

1715放大器

1716二极管

1717电容

1718缓冲器

1719比较器

1752反向器

1754异或逻辑栅

1755反或栅

1756及栅

1759反及栅

180减法器

181多工器

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请权利要求范围及图式，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请参照第1图。图1为根据本发明一实施例的单芯片温度感应装置的示意图。如第1图所示，单芯片温度感应装置1可包含一个参考生成电路11、一个振荡器13、一个振荡器15与一个逻辑运算模块17。在一实施例中，参考生成电路11被一个启动信号EN启动以产生一个控制电压Vc1来控制振荡器13与振荡器15。振荡器13与振荡器15皆耦接于前述参考生成电路并且分別产生一个振荡信号OSC1与一个振荡信号OSC2。逻辑运算模块17耦接于振荡器13与振荡器15，并依据振荡信号OSC1与振荡信号OSC2计算出用以做为一温度码字TPC的频率比，其中温度码字TPC与环境温度一一对应。

每一个振荡器13与振荡器15可以是一个包含2N+1个反向器的环式振荡器。请参照图2A，图2A为根据本发明一实施例的振荡器的示意图。如图2A所示，本发明的振荡器，例如振荡器13或振荡器15可以包含三个反向器。以振荡器13为例，于本发明一实施例中，振荡器13a可以包含一个第一反向器131、一个第二反向器132以及一个第三反向器133。第一反向器131由一个P型金属氧化物半导体场效晶体管(P-typeMOSFET)M_P1与一个N型金属氧化物半导体场效晶体管(N-typeMOSFET)M_N1组成。同样的，第二反向器132由一个P型金属氧化物半导体场效晶体管M_P2与一个N型金属氧化物半导体场效晶体管M_N2组成，第三反向器133由一个P型金属氧化物半导体场效晶体管M_P3与一个N型金属氧化物半导体场效晶体管M_N3组成。每一个反向器耦接于第一参考端口V_DD与第二参考端口G_ND之间，其中第一参考端口V_DD连接芯片的供应电压源，第二参考端口G_ND连接芯片的接地端。

此外，如图2A所示，供应给第一反向器131的第一电流可以被耦接于第一反向器131与第一参考端口V_DD之间的第一电流限制器M_c1所限制，以及供应給第二反向器132的第二电流可以被耦接于第二反向器132与第一参考端口V_DD之间的第二电流限制器M_c2所限制，供应给第三反向器133的第三电流可以被耦接于第三反向器133与第一参考端口V_DD之间的第三电流限制器M_c3所限制。第一电流限制器M_c1、第二电流限制器M_c2与第三电流限制器M_c3皆被控制电压V_c1所控制。

在本发明另一实施例中，请参照图2B，图2B为根据本发明另一实施例的振荡器的示意图。相较于图2A中的振荡器，本实施例中的振荡器13b更包含一个耦接于第一反向器131与第二参考端口G_ND之间的第四电流限制器M_c4、一个耦接于第二反向器132与第二参考端口G_ND之间的第五电流限制器M_c5与一个耦接于第三反向器133与第二参考端口G_ND之间的第六电流限制器M_c6。第四电流限制器M_c4被控制电压V_c2所控制以定义一个自第一反向器131流出至第二参考端口G_ND的第四电流的最大值。控制电压V_c2也可以是被参考生成电路11所产生。第五电流限制器M_c5被控制电压V_c2所控制以定义一个自第二反向器132流出至第二参考端口G_ND的第五电流的最大值。第六电流限制器M_c6被控制电压V_c2所控制以定义一个自第三反向器133流出至第二参考端口G_ND的第六电流的最大值。

在本发明又一实施例中，请参照图2C，图2C为根据本发明又一实施例的振荡器的示意图。相较于图2A中的振荡器，本实施例中仅有一个具有两端的电流限制器M_c。电流限制器M_c的第一端连接第一参考端口V_DD，第二端连接第一反向器131、第二反向器132与第三反向器133。电流限制器M_c被控制电压V_c1控制以定义一个供应给前述三个反向器的电流的最大值。

在一实施例中，若振荡器13与振荡器15皆具有如图2B中的电路架构，但振荡器13中每一个晶体管的尺寸与振荡器15中每一个晶体管的尺寸相异，因此振荡器13的温度特性与振荡器15的温度特性相异。更明确来说，在本实施例中振荡信号OSC1的频率可以被定义为振荡器13中一个反向器的传递延迟的六倍。以第一反向器131为例，反向器131的传递延迟可以以下列方程式(1)表示:

$T_{d131}\widetilde{=}\frac{2C_{\mathrm{load}131}{V}_{\mathrm{th}}}{I_{\max }}+\frac{C_{\mathrm{load}131}}{K_{131}(V_{\mathrm{dd}}-V_{\mathrm{th}})}\ln \left(\frac{1.5V_{\mathrm{dd}}-2V_{\mathrm{th}}}{0.5V_{\mathrm{dd}}}\right)---\left(1\right)$

在方程式(1)中，T_d131为反向器131的传递延迟，V_dd为第一参考端口V_DD与第二参考端口G_ND之间的电压差，V_th为反向器131中每一个晶体管的临界电压，C_load131为反向器131所承载的电容值，K₁₃₁为金属氧半导体系数(MOScoefficient)，I_max为供应至/或自反向器131流出的电流的最大值。

由于振荡器15的每一个晶体管的等效通道宽度皆与振荡器13的每一个晶体管的等效通道宽度相异，因此振荡器15的传递延迟T_d151亦与振荡器13的传递延迟T₁₃₁相异。更明确的来说，振荡器15中反向器的传递延迟可以以下列方程式(2)表示:

$T_{d15}\widetilde{=}\frac{2C_{\mathrm{load}15}{V}_{\mathrm{th}}}{I_{\max }}+\frac{C_{\mathrm{load}15}}{K_{15}(V_{\mathrm{dd}}-V_{\mathrm{th}})}\ln \left(\frac{1.5V_{\mathrm{dd}}-2V_{\mathrm{th}}}{0.5V_{\mathrm{dd}}}\right)---\left(2\right)$

在方程式(2)中，T_d15为振荡器15中每一个反向器的传递延迟，V_dd为第一参考端口V_DD与第二参考端口G_ND之间的电压差，V_th为振荡器15中每一个反向器的临界电压，C_load131为振荡器15中每一个反向器所承载的电容值，K₁₅为金属氧半导体系数，I_max为供应至或自振荡器15中每一个反向器流出的电流的最大值。

在一实施例中，当环境温度变化时，方程式(1)中的系数K₁₃₁与电容值C_load131以一比例α成正比，方程式(2)中的K₁₅则与电容值C_load15以一比例α大致成正比。电流I_max的最大值不以比例α与电容值C_load131以及电容值C_load15成正比。因此，当环境温度变化时，传递延迟T_d131与传递延迟T_d15之间的比例随的改变，并且振荡信号OSC1的频率与振荡信号OSC2的频率之间的比例也同时改变。环境温度可以依据温度码字TPC而计算出，其中温度码字TPC代表振荡信号OSC1的频率与振荡信号OSC2的频率之间的比例。此外，由于电压V_dd与电流I_max的最大值皆适用于振荡器13与振荡器15，因此振荡信号OSC1的频率与振荡信号OSC2的频率之间的比例几乎与电压V_dd与电流I_max的最大值无关。

逻辑运算模块17用以依据振荡信号OSC1与振荡信号OSC2来计算代表频率比的温度码字TPC。然而逻辑运算模块17只能在振荡信号OSC1与振荡信号OSC2皆稳定的状态下正确的计算出温度码字TPC。换句话说，逻辑运算模块17必须确定振荡信号OSC1与振荡信号OSC2是否稳定。在一实施例中，请参照第3图，图3为根据本发明一实施例的逻辑运算模块的示意图。如第3图所示，逻辑运算模块17的一实施例逻辑运算模块17a可以包含一个第一检测单元171与一个比例计算单元175a。在本实施例中，振荡信号OSC1的频率低于振荡信号OSC2的频率，所以若振荡信号OSC1为稳定状态，振荡信号OSC2亦为稳定状态。因此，当比例计算单元175a耦接第一检测单元171、振荡器13与振荡器15时，第一检测单元171可以耦接于振荡器13以检测振荡信号OSC1是否稳定。

第一检测单元171用以检测振荡信号OSC1是否稳定来进一步产生一个就绪信号CALRD。在一实施例中，请参照图4A，图4A为根据本发明一实施例的第一检测单元的示意图。如图4A所示，第一检测单元171a可包含一个或栅1711与一个计数器1713。或栅1711依据振荡信号OSC1与就绪信号CALRD产生一个输出信号。因此，若就绪信号CALRD是逻辑低位准，或栅1711即以反向器的功能运作，以至于或栅1711的输出信号与振荡信号OSC1逻辑上相反。若就绪信号CALRD是逻辑高位准，或栅1711的输出信号则一致在逻辑高位准。计数器1713依据或栅1711的输出信号緣来计数，其中信号緣指信号的正缘或负缘。此外，若依据或栅1711的输出信号的计数不小于与不大于一个決定计数值DC时，计数器1713将就绪信号CALRD设定于逻辑高位准。本实施例的精神在于当振荡信号OSC1振荡过一个预定次数后，振荡信号OSC1应足够稳定以当作计算前述比例的基础。

在另一实施例中，请参照图4B与图4C，图4B为根据本发明另一实施例的第一检测单元的示意图。图4C为对应图4B的多个信号的时序图。如图4B所示，第一检测单元171b可包含前述或栅1711、一个放大器1715、一个二极管1716、一个电容1717、一个缓冲器1718与一个比较器1719。其中或栅1711依据振荡信号OSC1与就绪信号CALRD产生第一逻辑信号的功能已于前文中描述。放大器1715耦接于或栅1711，用以依据第一逻辑信号与第二电压V₂产生第一电压V₁。电容1717耦接于放大器1715与第二参考端口G_ND之间，并且选择性的被放大器1715充电以定义出介于电容1717两节点间的第三电压V₃。二极管1716用以当第一电压V₁大于第三电压V₃时传导一介于放大器1715与电容1717的电流路径。缓冲器1718耦接电容1717以依据第三电压V3产生第二电压V₂，其中第二电压V₂与第三电压V₃成正比。比较器1719耦接缓冲器1718以藉由比较第二电压V₂与临界电压V_TH产生就绪信号CALRD。换句话说，若第二电压V₂大于临界电压V_TH，则就绪信号CALRD被设定为逻辑高位准；反之，就绪信号CALRD被设定为逻辑低位准。

当就绪信号CALRD为逻辑高位准时，比例计算单元175a开始计算温度码字TPC，其中温度码字TPC代表振荡信号OSC1的频率与振荡信号OSC2的频率比。在一实施例中，请参照图5，图5为根据本发明一实施例的比例计算单元的示意图。如图5所示，比例计算单元175a可包含一个或栅1751、一个反向器1752、一个计数器1753、一个异或逻辑栅1754、一个反或栅1755、一个及栅1756、一个或栅1757、一个计数器1758与一个反及栅1759。

若就绪信号CALRD在逻辑低位准，则或栅1751的输出信号总是位于逻辑低位准。若就绪信号CALRD在逻辑高位准，则或栅1751的输出信号与振荡信号OSC1相反，并且计数器1753依据或栅1751的输出信号而被就绪信号CALRD启动开始记数以产生一组计数信号CA，其中该组计数信号CA有(n+1)个位元，图中以CA[n:0]表示。异或逻辑栅1754有(n+1)个异或栅，并且异或逻辑栅1754将该组计数信号CA与一组预定的信号RC做为输入，其中前述预定的信号RC亦有(n+1)个位元，图中以RC[n:0]表示。简单地来说，异或逻辑栅1754在该组计数信号CA与该组预定的信号RC上执行位元的异或运算以产生一组有(n+1)位元的异或信号。也就是说，若该组计数信号CA之中有一个位元与该组预定的信号RC对应的位元相异，该对应的位元在异或信号中会被设为逻辑高位准。在此情況下，反或栅1755的输出信号被设为逻辑低位准，并且被及栅1756产生的就绪信号DATARD将依据就绪信号CALRD与反或栅1755的输出信号而被设为逻辑低位准。

若该组计数信号CA相同于该组预定的信号RC时，该组异或信号中的每一个位元都被设为逻辑高位准。因此反或栅1755的输出信号被随的设为逻辑低位准，并且就绪信号DATARD也被设为逻辑高位准。

当就绪信号DATARD为逻辑低位准时，反或栅1757的输出信号与振荡信号OSC2相反。若同时间计数器1758被就绪信号CALRD启动，计数器1758则依据反或栅1757的输出信号开始记数。并且温度码字TPC与及逻辑栅1759的输出信号也被设定成0。

当就绪信号DATARD位于逻辑高位准时，反或栅1757的输出信号则总是位于逻辑低位准，并且计数器1758的该组输出信号保持不变。同时，具有多个及栅的及逻辑栅1759将计数器1758的该组输出信号做为温度码字TPC。如同前述，温度码字TPC与环境温度为一一对应。因此，环境温度可以依据温度码字TPC而被计算出。

在另一实施例中，逻辑运算模块17可以决定振荡信号OSC1与振荡信号OSC2是否稳定。在本实施例中，请参照图6A，图6A为根据本发明一实施例的逻辑运算模块的示意图。如图6A所示，逻辑运算模块17的一实施例逻辑运算模块17b可以包含一个第一检测单元171、一个第二检测单元173与一个比例计算单元175b。当第二检测单元173耦接于振荡器15以依据振荡信号OSC2产生一个就绪信号CALRD2时，第一检测单元171耦接于振荡器13以依据振荡信号OSC1产生一个就绪信号CALRD1。每一个第一检测单元171与第二检测单元173的机制已于前文中叙述。比例计算单元175b耦接于振荡器13、振荡器15、第一检测单元171以及第二检测单元173。当就绪信号CALRD1与就绪信号CALRD2皆为逻辑高位准时，比例计算单元175b用以依据温度码字TPC产生振荡信号OSC1与振荡信号OSC2。

在本实施例中，请参照图6B，图6B为根据本发明一实施例的比例计算单元的示意图。如图6B所示，比例计算单元175可包含一个及栅与前述比例计算单元175a。只有当就绪信号CALRD1与就绪信号CALRD2皆为逻辑高位准时，及栅将就绪信号CALRD设为逻辑高位准。

在一实施例中，逻辑运算模块17可更包含一个温度计算单元(未绘示于图中)。温度计算单元耦接于被就绪信号DATARD控制的比例计算单元175a，以依据温度码字TPC计算出环境温度。更明确的说，由于频率比TPC与环境温度为一一对应，描述代表频率比的温度码字TPC与环境温度关系的功能可被产生并储存于前述温度计算单元。温度计算单元可依据温度码字TPC与前述功能计算出环境温度。

在另一实施例中，可以有一个关联于代表频率比的温度码字TPC与环境温度储存于温度计算单元中。温度计算单元可依据温度码字TPC与查询表取得环境温度。

在一实施例中，当处理器依据递减温度码字计算环境温度较为方便时，在某些特殊情况下处理器依据递增温度码字计算环境温度会较为方便。如此一来，请参照图7A，图7A为根据本发明一实施例的码字反转装置的示意图。如图7A所示，减法器180耦接逻辑运算模块17以藉由将温度码字TPC减去一与TPC码字位长度相同且其值连续皆为1的位组，以计算出一个递增温度码字TPCI。此外，多工器181耦接于减法器180与逻辑运算模块17以分别接收与温度码字TPC相同的递增温度码字TPCI与递减温度码字TPCD，以至于多任务器181的输出最终温度码字FTPC依据递增温度码字TPCI、递减温度码字TPCD与一个选择信号而被产生。在一实施例中，递减温度码字TPCD与环境温度之间的关系请参照图7B，递增温度码字TPCI与环境温度之间的关系请参照图7C。前述图示为依据仿真与8位的分辨率实验的范例，本发明不以此为限。在图7B与图7C中，横轴代表摄氏温度，纵轴代表温度码字。

如此一来，本发明的温度感应装置不需要外部的时脉来源或是与温度独立的时脉来源。当振荡信号皆为稳定时，本发明揭露的装置可计算两个振荡信号之间的频率比。由于本发明所计算出的频率比会随着环境温度变化而改变，因此本发明的频率比可用于计算出环境温度。

Claims (10)

1.一种单芯片温度感应装置，其特征在于，包括：

一参考生成电路，用以产生一第一控制电压；

一第一振荡器，耦接于该参考生成电路并且被该第一控制电压控制以输出一第一振荡信号；

一第二振荡器，耦接于该参考生成电路并且被该第一控制电压控制以输出一第二振荡信号，其中该第一振荡器的温度特性与该第二振荡器的温度特性不同；以及

一逻辑运算模块，耦接于该第一振荡器与该第二振荡器，用以依据该第一振荡信号与该第二振荡信号计算一环境温度；

其中该第一振荡器与该第二振荡器皆为温度变动振荡器。

2.如权利要求1所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，该第一振荡器包含2N+1个第一反向器，以及该第二振荡器包含2N+1个第二反向器，N为大于1的正整数。

3.如权利要求2所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，该些第一反向器皆彼此相同，并且该些第二反向器皆彼此相同，然而该些第一反向器其中之一与该些第二反向器其中之一彼此相异。

4.如权利要求3所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，该些第一反向器其中之一的指状结构的数量相等于该些第二反向器其中之一的指状结构的数量，并且该些第一反向器的一晶体管等效长宽比与该些第二反向器的一晶体管等效长宽比相异。

5.如权利要求3所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，该些第一反向器其中之一的指状结构的数量相异于该些第二反向器其中之一的指状结构的数量，并且该些第一反向器的一晶体管等效长宽比与该些第二反向器的一晶体管等效长宽比相同。

6.如权利要求1所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，每一该第一振荡器与每一该第二振荡器包含：

一第一反向器，耦接于一第一参考端口与一第二参考端口之间，具有一第一输入端口与一第一输出端口；

一第二反向器，耦接于该第一参考端口与该第二参考端口之间，具有一第二输入端口连接该第一输出端口与一第二输出端口；以及

一第三反向器，耦接于该第一参考端口与该第二参考端口之间，具有一第三输入端口连接该第二输出端口与耦接该第一输入端口的一第三输出端口。

7.如权利要求6所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，每一该第一振荡器与每一该第二振荡器更包含一电流限制器，该电流限制器耦接于该第一参考端口与该第一反向器、该第二反向器、该第三反向器之间，并耦接该参考生成电路，被该第一控制电压控制以定义出供应该第一反向器、该第二反向器与该第三反向器的一第一电流的一最大值。

8.如权利要求6所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，该逻辑运算模块包含：

一第一检测单元，耦接该第一振荡器，用以依据该第一振荡信号产生一第一就绪信号

一比例计算单元，耦接该第一检测单元、该第一振荡器与该第二振荡器，被该第一就绪信号控制以依据该第一振荡信号与该第二振荡信号产生一温度码字，其中该温度码字与该环境温度一一对应，并且该比例计算单元更依据该第一振荡信号产生一第二就绪信号；以及

一温度计算单元，耦接该比例计算单元，被该第二就绪信号控制以依据该温度码字计算该环境温度。

9.如权利要求8所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，该第一检测单元包含：

一或栅，耦接该第一振荡器，用以將该第一振荡信号与该第一就绪信号执行一逻辑和以产生一第一逻辑信号；以及

一计数器，耦接该或栅，用以依据该第一逻辑信号与一现值设定该第一就绪信号。

10.如权利要求1所述的单芯片温度感应装置，其特征在于，该第一振荡器的温度特性为该第一振荡信号的一频率与该环境温度之间的一关系，并且该第二振荡器的温度特性为该第二振荡信号的一频率与该环境温度之间的一关系，并且该逻辑运算模块依据该第一振荡信号的该频率与该第二振荡信号的该频率计算该环境温度以产生一温度码字，该逻辑运算模块依据该第一振荡信号的该频率与该第二振荡信号的该频率之间的一频率比率计算该环境温度。