CN106461470A - 低功率低成本温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本文中描述了用于感测芯片上的温度的系统和方法。在一个实施例中，温度传感器包括具有栅极的第一晶体管，具有耦合到该第一晶体管的栅极的栅极的第二晶体管，以及偏置电路，该偏置电路配置成偏置该第一和第二晶体管的栅极，以使得该第一和第二晶体管在亚阈值区中操作，以及配置成生成与该第一晶体管的栅极到源极电压和该第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流。该温度传感器还包括配置成将该电流转换成数字温度读数的模数转换器(ADC)。

Description

低功率低成本温度传感器
背景
领域
本公开的诸方面一般涉及温度感测，并且尤其涉及温度传感器。
背景技术
多个温度传感器可以被集成在芯片上并且被用来监视芯片上各位置处的温度。来自传感器的温度读数可以被馈送到温度管理设备，该温度管理设备基于温度读数来管理芯片上的电路(例如，中央处理单元(CPU))。例如，温度管理设备可以基于温度读数来管理诸电路以防止芯片上的一个或多个位置处的温度变得过高，温度过高可能潜在地损坏芯片。在该示例中，若温度读数上升超过温度阈值，那么该温度管理设备可以采取措施来降低温度(例如，降低电路的频率)。
概述
以下给出对一个或多个实施例的简化概述以提供对此类实施例的基本理解。此概述不是所有构想到的实施例的详尽综览，并且既非旨在标识所有实施例的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有实施例的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个实施例的一些概念以作为稍后给出的更加具体的说明之序。
根据第一方面，本文中描述了一种温度传感器。该温度传感器包括具有栅极的第一晶体管，具有耦合到该第一晶体管的栅极的栅极的第二晶体管，以及偏置电路，该偏置电路配置成偏置该第一和第二晶体管的栅极，从而该第一和第二晶体管在亚阈值区中操作，以及配置成生成与该第一晶体管的栅极到源极电压和该第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流。该温度传感器还包括配置成将电流转换成数字温度读数的模数转换器(ADC)。
第二方面涉及一种用于感测温度的方法。该方法包括：偏置第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极，以使得该第一和第二晶体管在亚阈值区中操作，以及生成与该第一晶体管的栅极到源极电压和该第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流。该方法还包括将该电流转换成数字温度读数。
第三方面涉及一种用于感测温度的装备。该装备包括：用于偏置第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极以使得该第一和第二晶体管在亚阈值区中操作的装置，以及用于生成与该第一晶体管的栅极到源极电压和该第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流的装置。该装备还包括用于将该电流转换成数字温度读数的装置。
第四方面涉及包括温度传感器和温度管理设备的系统。该温度传感器包括具有栅极的第一晶体管，具有耦合到该第一晶体管的栅极的栅极的第二晶体管，以及偏置电路，该偏置电路配置成偏置该第一和第二晶体管的栅极，从而该第一和第二晶体管在亚阈值区中操作，以及配置成生成与该第一晶体管的栅极到源极电压和该第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流。该温度传感器还包括配置成将电流转换成数字温度读数的模数转换器(ADC)。该温度管理设备被耦合到该温度传感器，并且配置成基于该数字温度读数来确定电路的温度，以及基于该温度来调节该电路的一个或多个参数。
为能达成前述及相关目的，这一个或多个实施例包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下说明和所附插图详细阐述了这一个或多个实施例的某些解说性方面。但是，这些方面仅仅是指示了可采用各个实施例的原理的各种方式中的若干种，并且所描述的实施例旨在涵盖所有此类方面及其等效方案。
附图简要说明
图1示出了根据本公开的实施例的温度传感器。
图2示出了根据本公开的实施例的包括在亚阈值区中操作的晶体管的温度感测电路的示例性实现。
图3是示出根据本公开的实施例的温度传感器中作为温度的函数的电流和频率的标绘。
图4示出了根据本公开的实施例的温度管理设备的示例。
图5是解说根据本公开的实施例的温度校准的示例的标绘。
图6示出了根据本公开的实施例的用于校准温度传感器的系统的示例。
图7是根据本公开的实施例的用于感测温度的方法的流程图。
详细描述
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。本详细描述包括具体细节以便提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。在一些实例中，以框图形式示出众所周知的结构和组件以避免湮没此类概念。
多个温度传感器可以被集成在芯片上并且被用来监视芯片上各个位置处的温度。来自传感器的温度读数可以被馈送到温度管理设备，该温度管理设备基于该温度读数来管理该芯片上的电路(例如，中央处理单元(CPU)，图形处理单元(GPU)、调制解调器等)。例如，温度管理设备可以基于温度读数来来管理诸电路以防止芯片上的一个或多个位置处的温度变得过高，温度过高可能潜在地损坏芯片。在该示例中，若温度读数上升超过温度阈值，那么该温度管理设备可以采取措施来降低温度(例如，降低电路的频率和/或供电电压)。
基于双极的温度传感器可以被用来测量芯片上的温度。基于双极的温度传感器可包括两个双极结型晶体管(BJT)，其中这些BJT的电流的比值是固定的并且温度读数是基于BJT的基极-发射极电压来生成的。传统的基于双极的温度传感器使用复杂的Σ模数转换器(ADC)，其消耗相对大量的功率并且占据相对较大的芯片区域。此外，这些温度传感器要求模拟电源轨，其通常处于比用来向(例如，CPU中的)数字逻辑供电的电源轨更高的电压。因此，这些温度传感器的放置被限制在模拟电源轨可用的芯片区域。这可能会阻碍将这些传感器中的一个或多个传感器放置在CUP中以获得CPU中的热点的准确温度读数。
相应地，小型低功率温度传感器是合需的。同样，可以由用以向数字逻辑供电的电源轨来供电的温度传感器是合需的。这会允许温度传感器被放置(嵌入)在包括数字逻辑的电路(例如，CPU)中。
图1示出了根据本公开的实施例的温度传感器100。温度传感器100包括温度感测电路110和模数转换器(ADC)130。如以下进一步讨论的，温度感测电路110被配置成生成与温度成正比的电流(记为“ITemp”)ADC 130被配置成将来自温度感测电路110的电流ITemp转换成数字温度读数。
温度感测电路110包括第一晶体管N和第二晶体管M，这两个晶体管都是N型场效应晶体管(NFET)。第一和第二晶体管N和M的栅极耦合在一起，并且由电压偏置Vbias来偏置。温度感测电路110还包括耦合在第一晶体管N的源极和接地之间的电阻器120。该第二晶体管M的源极耦合到接地。在一方面，电阻器120具有在感兴趣的温度范围内大致不随温度变化的电阻，并且可包括多晶硅电阻器或其他类型的电阻器。
温度感测电路110进一步包括耦合到该第一和第二晶体管N和M的漏极以及第一和第二晶体管N和M的栅极的偏置电路115。偏置电路115被配置成感测第一晶体管N的电流(记为“IN1”)，感测第二晶体管M的电流(记为“IM1”)，以及基于所感测到的电流来调节第一和第二晶体管N和M的栅极处的电压偏置Vbias。更具体而言，偏置电路115调节电压偏置Vbias，以使得第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1的比值在感兴趣的温度范围内大致是常数(固定的)。在一个示例中，电流IN1和IM1的比值可以约等于1，如以下进一步讨论的。偏置电路115还调节电压偏置Vbias，以使得第一和第二晶体管N和M二者在亚阈值区中操作(即，电压偏置Vbias在第一和第二晶体管N和M的阈值电压以下)。如以下所解释的，在这些条件下操作第一和第二晶体管N和M使得第一和第二晶体管N和M中的每一者的电流与温度成正比。
亚阈值区中的第一晶体管N的电流IN1可以大致由下式给出：
其中Io是取决于工艺的常数，WN是第一晶体管N的栅极宽度，L是第一晶体管N的栅极长度，VGS_N是第一晶体管N的栅极到源极电压，以及VT是热电压。偏置电路115通过将偏置电压Vbias设置到第一晶体管N的阈值电压以下来在亚阈值区中操作第一晶体管N。热电压VT可以大致由下式给出：
其中k是波尔兹曼(Boltzmann)常数，T是以开尔文(Kelvin)为单位的绝对温度，以及q为电子电荷。热电压VT在室温下约等于26mV，且不应当与第一晶体管N的阈值电压相混淆。
亚阈值区中的第二晶体管M的电流IM1可以大致由下式给出：
其中Io是取决于工艺的常数，WM是第二晶体管M的栅极宽度，L是第二晶体管M的栅极长度，VGS_M是第二晶体管M的栅极到源极电压，以及VT是热电压。偏置电路115通过将偏置电压Vbias设置到第二晶体管M的阈值电压以下来在亚阈值区中操作第二晶体管M。式(3)假设第一和第二晶体管N和M具有相同的栅极长度L和取决于工艺的常数Io。第一和第二晶体管N和M可以被假设成具有相同的取决于工艺的常数Io，这是因为它们被彼此紧挨地制造在芯片上。
使用式(1)到(3)，第二晶体管M的栅极到源极电压VGS_M和第一晶体管N的栅极到源极电压VGS_N之间的差异可以被写成如下形式：
如以上所讨论的，偏置电路115调节第一和第二晶体管N和M的栅极处的电压偏置Vbias，以使得电流IN1和IM2的比值在感兴趣的温度范围内大致是常数。由此，式(4)中电流IN1和IM2的比值大致为常数。同样，第一和第二晶体管N和M的栅极宽度WN和WM的比值、波尔兹曼常数K和电子电荷q都大致为常数。最后，电阻器120的电阻R在感兴趣的温度范围内大致上不随温度变化。由此，除了温度T之外，式(4)中的所有项在感兴趣的温度范围内都大致是常数。结果，第一和第二晶体管N和M的栅极到源极电压之间的差异与温度成正比，并且可以因此被用来测量温度。在一方面，第一和第二晶体管N和M的栅极到源极电压之间的差异被转换成与温度成正比的电流，如以下进一步讨论的。
因为第二晶体管M的源极接地，所以被施加到第一和第二晶体管N和M的栅极的电压偏置Vbias等于第二晶体管M的栅极到源极电压VGS_M。由此，电压Vbias可以被写成：
Vbias＝VGS_M (5)。电压偏置Vbias也等于第一晶体管N的栅极到源极电压VGS_N和跨电阻器120的电压降之和。跨电阻器120的电压降等于IN1·R，其中R是电阻器120的电阻。由此，电压偏置Vbias也可以被写成：
Vbias＝VGS_N+IN1·R (6)。
将式(5)和(6)的右侧相等，导致以下结果：
VGS_M＝VGS_N+IN1·R (7)。
式(7)可以被重写以将第一晶体管N的电流IN1表达为下式：
由此，第一晶体管N的电流IN1等于第一和第二晶体管N和M的栅极到源极电压之间的差异除以电阻器120的电阻R。如以上所讨论的，第一和第二晶体管N和M的栅极到源极电压之间的差异与温度成正比。由此，第一晶体管N的电流IN1也与温度成正比，并且可以因此被用来测量温度。将式(4)中的VGS_M-VGS_N的表达式代入等式(8)中得到以下第一晶体管N的电流IN1的表达式：
由此，跨电阻器120施加第一和第二晶体管N和M的栅极到源极电压之间的差异产生了与温度成正比的电流IN1。
因为第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1的比值大致为常数，所以第二晶体管M的电流IM1约等于第一晶体管N的电流IN1乘以常数。因此，第二晶体管M的电流IM1也与温度T成正比，并且也可以因此被用来测量温度。
在一个实施例中，偏置电路115可以调节电压偏置Vbias，从而第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1大致相等，在该情形中，电流IN1和IM1的比值约等于1。因此，式(9)归约成下式：
在该实施例中，第一晶体管N的栅极宽度WN可以大于第二晶体管M的栅极宽度WM。这允许第一晶体管N的栅极到源极电压VGS_N小于第二晶体管M的栅极到源极电压VGS_M以容适跨电阻器120的电压降，同时也允许第一和第二晶体管N和M具有大致相同的电流。
如以上所讨论的，偏置电路115被配置成生成与温度成正比的电流ITemp。为了达成这一点，偏置电路115可以使用一个或多个电流镜(图2中示出)来从第二晶体管M的电流IM1生成电流ITemp。在一个实施例中，电流ITemp可以与第二晶体管M的电流IM1成正比。因为第二晶体管M的电流IM1与温度成正比，所以电流ITemp也与温度成正比。
偏置电路115向ADC 130提供电流ITemp，该ADC 130将电流ITemp转换成数字温度读数。就此而言，ADC 130包括环形振荡器135和数字计数器150。环形振荡器135可包括耦合成延迟链的奇数个反相器140(1)到140(3)，其中延迟链中的最后一个反相器140(3)的输出端被耦合到延迟链中的第一个反相器140(1)的输入端。这使得环形振荡器135以与反相器140(1)到140(3)的时间延迟呈反比的振荡频率来振荡。虽然在图1中所示的示例中，环形振荡器135包括三个反相器，但是将领会环形振荡器135可包括任意奇数个反相器。
如图1中所示，环形振荡器135的反相器140(1)到140(3)由来自偏置电路115的电流ITemp来偏置。更具体而言，偏置电路115向环形振荡器135的顶部端子137发出电流ITemp，以及从环形振荡器135的底部端子142汲取电流ITemp。如以下进一步讨论的，电流ITemp控制反相器140(1)到140(3)的时间延迟，并且因此控制环形振荡器135的振荡频率。
在一方面，每个反相器140(1)到140(3)的输出端被耦合到相应的电容器，其中该电容器可包括耦合在环形振荡器135中的反相器的输出端和下一反相器的输入端之间的电容器(未示出)和/或下一反相器的输入电容器(例如，栅极电容器)。在该方面，每个反相器通过对相应的电容器充电来从低输出逻辑状态转变成高输出逻辑状态，以及通过对相应的电容器放电来从高输出逻辑状态转变成低输出逻辑状态。从偏置电路115流入反相器140(1)到140(3)的电流ITemp控制每个反相器能够多快速地对相应的电容器进行充电，以及从反相器140(1)到140(3)流入偏置电路115的电流ITemp控制每个反相器能够多快速地对相应的电容器进行放电。由此，电流ITemp控制反相器140(1)到140(3)多快速地改变逻辑状态，并且因此控制反相器140(1)到140(3)的时间延迟。电流ITemp越高，反相器越快速地改变逻辑状态，并且因此反相器的时间延迟越短。
在该方面，反相器140(1)到140(3)的时间延迟可以大致与来自偏置电路115的电流ITemp成反比。因为环形振荡器135的振荡频率与反相器140(1)到140(3)的时间延迟成反比，所以振荡频率与来自偏置电路115的电流ITemp大致成正比。如以上所讨论的，来自偏置电路115的电流ITemp大致与温度成正比。因此，环形振荡器135的振荡频率大致与温度成正比，并且可以因此被用来测量温度。
数字计数器150被耦合到环形振荡器135的输出端145，并且对环形振荡器135的输出端145处的振荡循环的数目进行计数。例如，数字计数器150可以对一时间段内的环形振荡器135的上升沿的数目和/或下降沿的数目进行计数以生成数字计数值。数字计数值与振荡频率成正比，该振荡频率进而与温度成正比。由此，该数字计数值也与温度成正比，并且因此提供了数字温度读数。
由此，环形振荡器135将来自温度感测电路110的电流ITemp(其与温度成正比)转换成频率，并且计数器150将该频率转换成数字温度读数。该数字温度读数可以被输出到温度管理设备(图4中所示)，该温度管理设备可以基于温度读数来管理芯片上的一个或多个电路。
图2示出了根据本公开的一实施例的温度感测电路110的示例性实现。为了便于解说，ADC 130未在图2中示出。在该实施例中，偏置电路115包括第一电流镜210、第二电流镜220和第三电流镜230。
第一电流镜210包括第一P型场效应晶体管PFET 212和第二PFET 214。第一和第二PFET 212和214的栅极耦合在一起，并且第一PFET 212的栅极和漏极耦合在一起。第一PFET212的漏极被耦合到第一晶体管N的漏极，并且第二PFET 214的漏极被耦合到第一电流支路240。
第二电流镜220包括第三PFET 222、第四PFET 224和第五PFET 226。第三、第四和第五PFET 222、224和226的栅极耦合在一起，并且第四PFET 224的栅极和漏极耦合在一起。第三PFET 222的漏极被耦合到第二电流分支245，第四PFET 224的漏极被耦合到第二晶体管M的漏极，且第五PFET 226的漏极被耦合到环形振荡器135的顶部端子137(图1中示出)。
第三电流镜230包括第一NFET 232、第二NFET 234和第三NFET 236。第一、第二和第三NFET 232、234和236的栅极耦合在一起，并且第二NFET 234的栅极和漏极耦合在一起。第一NFET 232的漏极被耦合到第一电流分支240，第二NFET 234的漏极被耦合到第二电流分支245，且第三NFET 236的漏极被耦合到环形振荡器135的底部端子142(图1中示出)。
现在将根据本公开的实施例来描述偏置电路115的操作。为了便于讨论，偏置电路115的操作将首先使用其中偏置电路115调节电压偏置Vbias以使得第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1大致相等的示例来描述。在该示例中，第一和第二电流镜210和220中的PFET具有大致上相同的栅极尺寸，且第三电流镜230中的NFET可以具有大致相同的栅极尺寸。同样，电流镜210、220和230中的晶体管可以在活跃区中操作。稍后将会讨论其中偏置电路115调节电压偏置Vbias以使得电流IN1和IM1的比值大致为常数的更为一般的情形中的偏置电路115的操作。
在操作中，第一PFET 212感测第一晶体管N的电流IN1，且第二PFET 214在第一电流分支240的顶部上(即，在节点250上方)复制(镜像)电流。第一电流分支240顶部上的复制电流被记为“IN2”。第四PFET 224感测第二晶体管M的电流IM1，并且第三PFET 222在第二电流分支245上复制(镜像)电流。第二电流分支245上的复制电流被记为“IM2”。第二NFET 234在第二电流分支245上感测第二晶体管M的复制电流IM2，并且第一NFET 232在第一电流分支240的底部上(即，在节点250下方)复制(镜像)电流。第一电流分支240的底部上的复制电流被记为“IM3”。
结果，第一晶体管M的电流IN1在第一电流分支240的顶部上被复制(镜像)为电流IN2，且第二晶体管M的电流IM1在第一电流分支240的底部上被复制(镜像)为电流IM3。如果电流IN2和IM3是不同的(即，第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1是不同的)，那么取决于电流IN2和IM3哪个更大，等于差值的电流流入或流出节点250。该电流对耦合到第一和第二晶体管N和M的栅极的电容器255进行充电或放电，从而使得电压偏置Vbias上升或下降。电压偏置Vbias朝减小电流IN2和IM3之间的差异(以及由此第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1之间的差异)的方向改变。该反馈机制调节电压偏置Vbias，以使得第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1大致相等。在该示例中，第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1二者均与温度成正比，其中每个电流大致由式(10)给出(假设晶体管N和M二者都在亚阈值区中)。
在以上示例中，偏置电路115使用电流镜210、220和230来调节电压偏置Vbias，从而第一和第二晶体管N和M的电流IN和IM大致相等。偏置电路115也可以针对其中电流IN1和IM1的比值大致为常数的更一般的情形来调节电压偏置Vbias。例如，如果电流比值IM1/IN1大致等于m，那么电流镜210、220和230中的晶体管的栅极宽度的大小可以被调整以使得第一电流分支240中的电流IM3等于第二晶体管M的电流IM1的1/m倍。这可以通过使得第一NFET232的栅极宽度等于第二NFET 234的栅极宽度的1/m来达成。在该示例中，偏置电路115调节电压偏置Vbias，从而第一电流分支240中的电流IN2和IM3大致上相等。因为电流IN2大致等于第一晶体管N的电流IN1，且电流IM3大致等于第二晶体管M的电流IM1的1/m倍，所以这使得比值IM1/IN1大致等于m。在该示例中，第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IM1二者都与温度成正比，其中第一晶体管N的电流IN1可以由式(9)给出，且第二晶体管M的电流IM1可以由式(9)乘以m给出(假设晶体管N和M二者都处于亚阈值区)。
偏置电路115中的晶体管的栅极尺寸和/或阈值电压可以被选择使得电压偏置Vbia在感兴趣的温度范围内保持在第一和第二晶体管N和M的阈值电压之下(并且由此第一和第二晶体管N和M保持在亚阈值区中)。例如，第一和第二晶体管N和M的栅极宽度可以比电流镜210、220和230中的晶体管的栅极宽度大得多(例如，至少大10倍)。这允许第一和第二晶体管N和M针对电流镜210、220和230中的晶体管藉以在活跃区中操作的电流水平在亚阈值区中操作。替换地或附加地，第一和第二晶体管N和M可以具有比电流镜210、220和230中的晶体管更高的阈值电压。如以上所讨论的，通过在亚阈值区中操作第一和第二晶体管N和M，第一和第二晶体管N和M的电流IN1和IN2大致上与温度成正比。
第二电流镜220中的第五PFET 226复制(镜像)第二晶体管M的电流IM1。结果所得的复制电流被用于流入环形振荡器135的顶部端子137的电流ITemp。第三电流镜230中的第三NFET 236复制(镜像)第二电流分支245中的电流IM2，该电流IM2是第二晶体管M的电流IM1的复制。由此，第三NFET 236提供的复制电流大致等于第二晶体管M的电流IM1。该复制电流被用于从环形振荡器135的底部端子142流出进入偏置电路115的电流ITemp。由此，在该实施例中，由偏置电路115提供的电流ITemp大致等于第二晶体管M的电流IM1。因为第二晶体管M的电流IM1与温度成正比，所以偏置电路115提供的电流ITemp也与温度成正比。如以上所讨论的，这允许ADC 130将电流ITemp转换成数字温度读数。
根据本公开的各实施例的温度传感器100提供了胜过常规的基于双极的温度传感器的一个或多个以下优点。首先，温度传感器100可以比基于双极的温度传感器小得多且消耗少得多的功率。这允许在芯片上放置更多数目的温度传感器。
进一步，温度传感器100可以使用低供电电压来供电。例如，当使用16-nm FinFET工艺来制造时，温度传感器100可以使用0.79伏的供电电压来供电。结果，温度传感器100可以由用于数字逻辑的电源轨来供电。这允许温度传感器100被嵌入在包括数字逻辑的电路(例如，CPU)中，例如以测量电路中热点的温度。
图3是示出根据本公开的实施例的温度传感器100的温度范围25.0℃(298K)到125.0℃(398K)内的电流310和频率315的示例的标绘。在该示例中，电流310(ITemp)和温度之间的关系大致上是线性的，其斜率大致等于2.118nA/度。电流310与绝对温度(即，以开尔文(Kelvin)为单位的温度)成正比。同样，环形振荡器135的频率315和温度之间的关系大致上是线性的，其斜率大致等于1.578MHz/度。计数器150将环形振荡器135的频率转换成也与温度成线性的数字计数值。该数字计数值提供了由温度传感器100输出的数字温度读数。
如以上所讨论的，温度传感器100可以在温度管理应用中使用。就此而言，图4示出了系统405，其包括温度传感器100、时钟源415、温度管理设备410和电路420(例如，CPU)。将领会，图4中的温度传感器100不是按比例绘制的，并且可以比电路420小得多。系统405可以被集成在同一芯片或管芯上。
时钟源415为电路420提供时钟信号，其中电路420可以将该时钟信号用于数据采样、数据处理、定时数字逻辑等。如以下进一步讨论的，时钟源415(例如，锁相环(PLL))被配置成在温度管理设备410的控制之下调节时钟信号的频率。
温度传感器100测量电路420的温度并向温度管理设备410输出对应的数字温度读数。温度传感器100可位于电路420附近或嵌入在电路420内以获得电路420的准确温度读数。温度管理设备410通过基于温度读数调节时钟信号的频率来管理电路420的温度。
例如，当温度读数上升到热阈值以上时，温度管理设备410可以降低时钟信号的频率以降低温度。这是因为降低时钟频率降低了电路420的动态功耗，这进而降低了温度。温度管理设备410可以随后动态地控制时钟频率以将温度读数保持在热阈值附近。这使得对电路420的性能的影响最小化，同时将电路420的温度保持在安全限度内。
热阈值可以基于一个或多个因素来设置。例如，热阈值可以被设置在芯片进入热失控的温度以下。热失控在温度的增加导致泄漏功率增加，进而引起温度的进一步增加时发生。当芯片进入热失控时，芯片的温度可以快速上升，这会潜在地损坏电路420。通过将热阈值设置在芯片进入热失控的温度以下，温度管理设备410防止了热失控的发生。
温度管理设备410还可以使用其他方法来降低电路420的温度。例如，温度管理设备410可以通过关闭电路420来降低温度。在该示例中，系统405可进一步包括电源475，以及在电路420和电源475之间的功率设备470(例如，功率开关)。功率设备470可以在与电路420相同的芯片上，并且电源475可以在芯片的外部。当电路420处于活跃状态时，功率设备470将电路420连接到电源475以向电路420供电。当温度读数变得过高(例如，超过热阈值)时，温度管理设备410可以命令功率设备470将电路420从电源475断开连接以关闭电路420。管理设备410可以例如在极端情形中(其中温度风险引起对电路420的严重损坏)关闭电路420。
在另一示例中，温度管理设备410可以通过降低至电路420的供电电压来降低温度。降低供电电压降低了电路420的动态功率和泄漏功率，这进而降低了温度。在该示例中，当时钟频率被降低时，电路420的供电电压可以被降低。这是因为在时钟频率被降低时，电路420中的逻辑门可以较低速度操作，这允许逻辑门以较低供电电压来操作。在该示例中，当温度管理设备410降低了时钟频率以降低温度时，温度管理设备410也可以降低供电电压以进一步降低温度。为了达成这一点，电源475可包括具有可编程供电电压的功率管理集成电路(PMIC)。在该示例中，温度管理设备410可以通过向PMIC发送电压命令来设置PMIC的供电电压。由此，温度管理设备410可以使用频率和电压缩放的组合来管理电路420的温度。
虽然为了易于解说，图4中示出了一个温度传感器100，但是应领会，系统405可包括多个温度传感器。例如，芯片可包括多个电路(例如，一个或多个CPU、图形处理单元(GPU)、调制解调器等)。在该示例中，系统405可包括用于每个电路的一个或多个温度传感器。温度管理设备410可以使用以上所讨论的任何方法、基于来自相应的一个或多个温度传感器的温度读数来管理每个电路的温度。
温度管理设备410还可以校准温度传感器100以从温度传感器100获得更准确的温度测量。来自计数器150的数字计数值(数字温度读数)和温度之间的关系大致上是线性的，并且可以因此由计数相对于温度标绘中的直线来近似。然而，由于工艺变化和/或其他因素，该标绘中的直线位置可能逐传感器变化。为了解决这一点，可以执行校准规程以确定关于温度传感器100的直线的位置。
就此而言，图5是解说根据本公开的实施例的示例性校准规程的计数相对于温度标绘。该校准规程可包括将温度传感器100制造于其上的芯片均匀地加热至第一已知温度(记为“T1”)。例如，芯片可以使用外部加热设备来均匀地加热，并且可以使用高准确度外部温度传感器(例如，热耦合到芯片的背面)来测量温度。电路420可以在这段时间期间被关闭。温度管理设备410可以随后从温度传感器100读取对应的第一计数值(记为“计数1”)。因为第一温度T1是已知的，所以这提供了足够的信息来确定关于温度传感器100的计数相对于温度标绘中的第一点520。
该芯片随后被加热到第二已知温度(记为“T2”)。温度管理设备410可以随后从温度传感器100读取对应的第二计数值(记为“计数2”)。因为第二温度T2是已知的，所以这提供了足够的信息来确定关于温度传感器100的计数相对于温度标绘中的第二点525。第一和第二点520和525提供了足够的信息来确定关于其他计数值的温度。这是因为：由于计数值和温度之间的线性关系，其他计数值位于与第一和第二点520和525相交的直线515上。
由此，一旦确定两个点520和525，关于其他计数值的温度可以使用线性内插来确定。在该实施例中，第一和第二计数值可以被存储在温度管理设备410中的存储器中并且分别与存储器中的第一和第二温度相关联。温度管理设备410可以使用关于温度传感器100的所存储的信息来确定来自温度传感器100的其他计数值的温度(例如，使用线性内插)。
在以上示例中，芯片的温度是使用外部温度传感器在校准期间测量的。在另一示例中，芯片的温度可以在校准期间使用准确的片上温度传感器来测量就此而言，图6示出了系统605，其包括温度传感器100、温度管理设备410，以及片上校准温度传感器610。校准温度传感器610可包括基于双极的温度传感器或其他类型的片上温度传感器。在该示例中，校准温度传感器610可以被用来根据本公开的实施例来校准许多温度传感器。系统605可以被集成在同一芯片上。
在该示例中，温度传感器100的校准规程可包括将芯片均匀地加热到第一温度(例如，使用外部加热设备)。校准温度传感器610可以测量第一温度并且向温度管理设备410输出对应的温度读数。温度管理设备410可以随后从温度传感器100读取对应的第一计数值。电路420可以在这段时间期间被关闭。温度管理设备410可以随后将第一计数值和第一温度存储在存储器中，其中第一温度由来自校准温度传感器610的温度读数提供。
该芯片随后被加热到第二温度。校准温度传感器610可以测量第二温度并且向温度管理设备410输出对应的温度读数。温度管理设备410可以随后从温度传感器100读取对应的第二计数值。电路420可以在这段时间期间被关闭。温度管理设备410可以随后将第二计数值和第二温度存储在存储器中，其中第二温度由来自校准温度传感器610的温度读数提供。如以上所讨论的，温度管理设备410可以随后使用关于温度传感器100的所存储的信息来确定来自温度传感器100的其他计数值的温度(例如，使用线性内插)。
图7是解说根据本公开的实施例的用于感测温度的方法700的流程图。该方法700可由温度传感器100来执行。
在步骤710中，第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极被偏置，以使得第一和第二晶体管在亚阈值区中操作。例如，第一和第二晶体管(例如，第一和第二晶体管N和M)的栅极可以用第一和第二晶体管的阈值电压以下的电压偏置(例如，Vbias)来偏置。
在步骤720，可以生成与第二晶体管的栅极到源极电压和第一晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流。例如，该电流(例如，ITemp)可以通过跨电阻器(例如，电阻器120)施加第二晶体管的栅极到源极电压和第一晶体管的栅极到源极电压之间的差异(例如，VGS_M-VGS_N)来生成，其中所生成的电流与流过该电阻器的电流成正比。
在步骤730，该电流被转换成数字温度读数。例如，该电流可以由电流控制振荡器(例如，振荡器135)转换成频率，并且该频率可以由计数器(例如，计数器150)转换成数字温度读数(例如，数字计数值)。
本领域技术人员将领会，结合本文公开所描述的各种解说性逻辑框、模块、电路、和算法步骤可被实现为电子硬件、计算机软件、或两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、块、模块、电路、以及步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员可针对每种特定应用以不同方式来实现所描述的功能性，但此类实现决策不应被解读为致使脱离本公开的范围。
结合本文的公开所描述的各种解说性逻辑框、模块、以及电路可用设计成执行本文中描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协同的一个或多个微处理器、或任何其它此类配置。
结合本文的公开所描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中实施。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或者本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读写信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。替换地，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性设计中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件、或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是可被通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的期望程序代码手段且能被通用或专用计算机、或者通用或专用处理器访问的任何其他介质。另外，任何连接可在涉及所传送信号的非瞬态存储的程度上被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波等无线技术从web站点、服务器或其它远程源传送而来的，则在信号留存在存储介质或设备存储器上的传输链中达任何非瞬态时间长度的程度上，该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电以及微波等无线技术就被包括在介质的定义里。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合应当也被包括在计算机可读介质的范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员而言将容易是显而易见的，并且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变型而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。

Claims (30)

1.一种温度传感器，包括
具有栅极的第一晶体管；
具有耦合到所述第一晶体管的所述栅极的栅极的第二晶体管；
偏置电路，其配置成偏置所述第一和第二晶体管的栅极以使得所述第一和第二晶体管在亚阈值区中操作，并且配置成生成与所述第一晶体管的栅极到源极电压和所述第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流；以及
配置成将所述电流转换成数字温度读数的模数转换器(ADC)。
2.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述ADC包括：
配置成将所述电流转换成频率的振荡器；以及
配置成将所述频率转换成数字计数值的计数器，其中所述数字温度读数包括所述数字计数值。
3.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，进一步包括耦合到所述第二晶体管的源极的电阻器，其中所述第一晶体管的栅极到源极电压和所述第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异被跨所述电阻器施加，并且所生成的电流与流过所述电阻器的电流成正比。
4.如权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，所生成的电流大致等于流过所述电阻器的电流。
5.如权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，所述电阻器耦合在所述第二晶体管的源极和接地之间。
6.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述第一晶体管包括第一场效应晶体管(FET)，并且所述第二晶体管包括第二FET。
7.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述偏置电路被配置成偏置所述第一和第二晶体管的栅极，以使得所述第一晶体管的电流和所述第二晶体管的电流的比值在一温度范围内大致为常数。
8.如权利要求7所述的温度传感器，其特征在于，所述比值大致等于1。
9.一种用于感测温度的方法，包括：
偏置第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极，以使得所述第一和第二晶体管在亚阈值区中操作；
生成与所述第一晶体管的栅极到源极电压和所述第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流；以及
将所述电流转换成数字温度读数。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述电流转换成所述数字温度读数包括：
将所述电流转换成频率；以及
将所述频率转换成数字计数值，其中所述数字温度读数包括所述数字计数值。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，生成所述电流包括跨电阻器施加所述第一晶体管的所述栅极到源极电压和所述第二晶体管的所述栅极到源极电压之间的差异，其中所生成的电流与流过所述电阻器的电流成正比。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所生成的电流大致等于流过所述电阻器的电流。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一晶体管包括第一场效应晶体管(FET)，并且所述第二晶体管包括第二FET。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括偏置所述第一和第二晶体管的栅极，以使得所述第一晶体管的电流和所述第二晶体管的电流的比值在一温度范围内大致为常数。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述比值大致等于1。
16.一种用于感测温度的设备，包括：
用于偏置第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极以使得所述第一和第二晶体管在亚阈值区中操作的装置；
用于生成与所述第一晶体管的栅极到源极电压和所述第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流的装置；以及
用于将所述电流转换成数字温度读数的装置。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述用于将所述电流转换成所述数字温度读数的装置包括：
用于将所述电流转换成频率的装置；以及
用于将所述频率转换成数字计数值的装置，其中所述数字温度读数包括所述数字计数值。
18.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述用于生成所述电流的装置包括用于跨电阻器施加所述第一晶体管的所述栅极到源极电压和所述第二晶体管的所述栅极到源极电压之间的差异的装置，其中所生成的电流与流过所述电阻器的电流成正比。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，所生成的电流大致等于流过所述电阻器的电流。
20.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述第一晶体管包括第一场效应晶体管(FET)，并且所述第二晶体管包括第二FET。
21.如权利要求16所述的设备，其特征在于，进一步包括用于偏置所述第一和第二晶体管的栅极以使得所述第一晶体管的电流和所述第二晶体管的电流的比值在一温度范围内大致为常数的装置。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述比值大致等于1。
23.一种系统，包括：
温度传感器，其中所述温度传感器包括：
具有栅极的第一晶体管；
具有耦合到所述第一晶体管的所述栅极的栅极的第二晶体管；
偏置电路，其配置成偏置所述第一和第二晶体管的栅极以使得所述第一和第二晶体管在亚阈值区中操作，并且配置成生成与所述第一晶体管的栅极到源极电压和所述第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异成正比的电流；以及
配置成将所述电流转换成数字温度读数的模数转换器(ADC)；以及
耦合到所述温度传感器的温度管理设备，其中所述温度管理设备配置成基于所述数字温度读数来确定电路的温度，以及基于所述温度来调节所述电路的一个或多个参数。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述一个或多个参数包括所述电路的频率和所述电路的供电电压中的至少一者。
25.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述温度传感器进一步包括耦合到所述第二晶体管的源极的电阻器，其中所述第一晶体管的栅极到源极电压和所述第二晶体管的栅极到源极电压之间的差异被跨所述电阻器施加，并且所生成的电流与流过所述电阻器的电流成正比。
26.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述偏置电路被配置成偏置所述第一和第二晶体管的栅极，以使得所述第一晶体管的电流和所述第二晶体管的电流的比值在一温度范围内为常数。
27.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述ADC包括：
配置成将所述电流转换成频率的振荡器；以及
配置成将所述频率转换成数字计数值的计数器，其中所述数字温度读数包括所述数字计数值。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，所述温度管理设备配置成：从所述温度传感器接收第一和第二计数值并且从第二温度传感器接收第一和第二温度读数，通过将所述第一计数值与所述第一温度读数相关联并且将所述第二计数值与所述第二温度读数相关联来生成所述温度传感器的校准信息，以及将所述校准信息存储在存储器中。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述温度管理设备配置成使用所述校准信息、基于所述数字计数值来确定所述温度。
30.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述第二温度传感器包括基于双极的温度传感器。
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