CN107014507B - 一种基于rc振荡器的片上温度传感器 - Google Patents

一种基于rc振荡器的片上温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于RC振荡器的片上温度传感器，包括RC振荡器、计数器、CPU和存储器，其中，RC振荡器用于产生一输出频率随温度变化的时钟信号；计数器用于在一定闸门时间内计数时钟信号的脉冲个数并计算出RC振荡器的输出时钟信号的频率；存储器用于预先存储频率‑温度的查找表；CPU用于根据获取的时钟信号频率通过查表法得到当前时钟信号频率对应的温度值。与现有技术相比较，利用RC振荡器工作的温度特性，将温度的变化反映到振荡器输出时钟频率的变化，CPU通过读取频率计数值，就可以得到当前芯片内核的温度，从而无需额外在芯片中设置温度传感器，大大降低了温度传感器所占用的芯片面积，同时能够满足各种时钟控制的应用需求。

Description

一种基于RC振荡器的片上温度传感器
技术领域
本发明属于温度传感器领域，尤其涉及一种基于RC振荡器的片上温度传感器及其温度检测方法。
背景技术
随着集成电路技术的发展，以及应用中对温度传感器性能要求的不断提高，设计高集成度、低功耗、低成本的集成电路温度传感器成为一个重要的趋势。另一方面，由于集成电路工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路集成度不断提高，导致芯片的散热问题越来越严重。对芯片进行实时的温度监测，并进行过热保护变得尤为重要。如何根据应用需要进行集成电路温度传感器的设计成为国内外研究的热点。
目前基于CMOS工艺的集成电路温度传感器在国内外做了大量的研究，功耗不断下降、精度不断提高，其应用领域也越来越广泛。现有技术虽然能够实现性能优异的温度传感器，但是现有技术片上集成CMOS温度传感器存在实现复杂、功耗大以及占用芯片面积大的问题。随着集成电路工艺的进一步发展，芯片的体积越来越小、集成度越来越高，现有技术中片上温度传感器需占用芯片面积，这和集成化芯片的发展方向不相适应。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种基于RC振荡器的片上温度传感器及其温度检测方法，利用RC振荡器工作的温度特性，将温度的变化反映到振荡器输出时钟频率的变化，CPU通过读取频率计数值，就可以得到当前芯片内核的温度，从而可以通过调整电路的工作主频，以控制芯片的整体功耗，间接调节芯片的工作温度。从而无需额外在芯片中设置温度传感器，大大降低了温度传感器所占用的芯片面积，同时能够满足各种时钟控制的应用需求。
为了克服现有技术的缺陷，本发明的技术方案为：
一种基于RC振荡器的片上温度传感器，包括RC振荡器、计数器、CPU和存储器，其中，所述RC振荡器用于产生一输出频率随温度变化的时钟信号；所述计数器用于在一定闸门时间内计数时钟信号的脉冲个数并计算出所述RC振荡器的输出时钟信号的频率；所述存储器用于预先存储频率-温度的查找表；所述CPU用于根据获取的时钟信号频率通过查表法得到当前时钟信号频率对应的温度值；
所述RC振荡器包括运算放大器AMP1、电阻控制单元、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第一非门NG1、第二非门NG2、第三非门NG3、第四非门NG4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和RS触发器，其中，所述运算放大器AMP1的正向输入端与基准电压Vref端相连接，所述运算放大器AMP1的反向输入端与所述第一NMOS管NM1的源极和电阻控制单元的res连接端相连接，所述运算放大器AMP1的VOUT输出端与所述第一NMOS管NM1的栅极相连接，所述第一NMOS管NM1的漏极与所述第一PMOS管PM1的漏极及栅极、所述第二PMOS管PM2的栅极、所述第三PMOS管PM3的栅极、所述第四PMOS管PM4的栅极和所述第三电容C3的一端相连接，并作为偏置biasp端为所述运算放大器AMP1提供偏置电流源；所述第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极、第三PMOS管PM3的源极、第四PMOS管PM4的源极和所述第三电容C3的另一端共同与电源输入VDD端相连接；所述第二PMOS管PM2的漏极与所述第二NMOS管NM2的漏极和所述第一非门NG1的输入端相连接，所述第一非门NG1的输出端与所述第三NMOS管NM3的栅极和所述RS触发器的输入S端相连接；所述第三PMOS管PM3的漏极与所述第五PMOS管PM5的源极和所述第六PMOS管PM6的源极相连接，所述第五PMOS管PM5的漏极与所述第二NMOS管NM2的栅极、第三NMOS管NM3的漏极和所述第一电容C1的一端相连接，所述第六PMOS管PM6的漏极与所述第四NMOS管NM4的漏极、第五NMOS管NM5的栅极和第二电容C2的一端相连接；所述第四PMOS管PM4的漏极与所述第二非门NG2的输入端和第五NMOS管NM5的漏极，所述第二非门NG2的输出端与所述第四NMOS管NM4的栅极和所述RS触发器的输入R端相连接，所述RS触发器的输出Q1端与所述第五PMOS管PM5的栅极和所述第三非门NG3的输入端相连接，所述第三非门NG3的输出端与所述第六PMOS管PM6的栅极相连接，所述RS触发器的输出Q2端与所述第四非门NG4的输入端相连接，所述第四非门NG4的输出端作为所述RC振荡器输出OUT端，所述第二NMOS管NM2的源极、第三NMOS管NM3的源极、第四NMOS管NM4的源极、第五NMOS管NM5的源极、所述第一电容C1的另一端、所述第二电容C2的另一端共同与GND端相连接；
所述电阻控制单元具有温度特性，其阻值呈现稳定的温度系数。
优选地，所述电阻控制单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十五NMOS管NM15、第十六NMOS管NM16和第十七NMOS管NM17，其中，所述第四电阻R4的一端作为res连接端，所述第四电阻R4的另一端与所述第十七NMOS管NM17的源极和所述第三电阻R3的一端相连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第十七NMOS管NM17的漏极、第十六NMOS管NM16的源极和所述第二电阻R2的一端相连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第十六NMOS管NM16的漏极、第十五NMOS管NM15的源极和所述第一电阻R1的一端相连接，所述第一电阻R1的另一端和所述第十五NMOS管NM15的漏极共同与GND端相连接；所述第十五NMOS管NM15的栅极与第一频率控制信号freq1端相连接，所述第十六NMOS管NM16的栅极与第二频率控制信号freq2端相连接，所述第十七NMOS管NM17的栅极与第三频率控制信号freq3端相连接；
所述第一频率控制信号freq1端、所述第二频率控制信号freq2端和所述第三频率控制信号freq3端均与所述CPU相连接。
优选地，所述电阻控制单元还包括第五非门NG5、第十八NMOS管NM18和第十九NMOS管NM19相连接，所述第五非门NG5的输入端和电阻选择信号rint_en端相连接，所述第五非门NG5的输出端与所述第十九NMOS管NM19的栅极相连接，所述第十九NMOS管NM19的源极与res连接端相连接，所述第十九NMOS管NM19的漏极与外部电阻输入rext端相连接；所述第十八NMOS管NM18的栅极与电阻选择信号rint_en端相连接，所述第十八NMOS管NM18的源极与所述第一电阻R1的另一端和所述第十五NMOS管NM15的漏极相连接，所述第十八NMOS管NM18的漏极接地；所述电阻选择信号rint_en端与所述CPU相连接。
优选地，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4采用阱电阻。
优选地，所述运算放大器AMP1进一步包括第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、第十一NMOS管NM11、第十二NMOS管NM12、第十三NMOS管NM13、第十四NMOS管NM14、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第十一PMOS管PM11、第十二PMOS管PM12、第十三PMOS管PM13、第十四PMOS管PM14、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，其中，所述第七PMOS管PM7的栅极与偏置biasp端相连接，所述第七PMOS管PM7的源极、第八PMOS管PM8的源极、第九PMOS管PM9的源极、第十一PMOS管PM11的源极、第十三PMOS管PM13的源极、第六NMOS管NM6的漏极和所述第八电阻R8的一端共同与电源输入VDD端相连接，所述第七PMOS管PM7的漏极与第六NMOS管NM6的源极、第七NMOS管NM7的栅极、第八NMOS管NM8的栅极及漏极、第九NMOS管NM9的栅极、第十NMOS管NM10的栅极和第十一NMOS管NM11的栅极相连接并共同与基准电压Vref端连接；所述第八电阻R8的另一端与第六NMOS管NM6的栅极和第七NMOS管NM7的漏极相连接，所述第九NMOS管NM9的漏极与第八PMOS管PM8的漏极及栅极、第十PMOS管PM10的栅极、第十二PMOS管PM12的栅极和第十四PMOS管PM14的栅极相连接，所述第九NMOS管NM9的源极与第五电阻R5的一端相连接；所述第九PMOS管PM9的漏极与第十PMOS管PM10的源极相连接；所述第九PMOS管PM9的栅极与第十一PMOS管PM11的栅极、第十三PMOS管PM13的栅极、第十PMOS管PM10的漏极和第十NMOS管NM10的漏极相连接，所述第十NMOS管NM10的源极与第六电阻R6的一端相连接；所述第十一PMOS管PM11的漏极与第十二PMOS管PM12的源极和第十一NMOS管NM11的漏极相连接；所述第十一NMOS管NM11的源极与第十二NMOS管NM12的源极和第七电阻R7的一端相连接；所述第十三PMOS管PM13的漏极与第十四PMOS管PM14的源极和第十二NMOS管NM12的漏极相连接，所述第十二NMOS管NM12的栅极与运算放大器反向输入端V-相连接；所述第十二PMOS管PM12的漏极与第十四NMOS管NM14的栅极和第十三NMOS管NM13的栅极及漏极相连接，所述第十四NMOS管NM14的漏极与第十四PMOS管PM14的漏极相连接作为运算放大器输出VOUT端；所述第七NMOS管NM7的源极、第八NMOS管NM8的源极、第十三NMOS管NM13的源极、第十四NMOS管NM14的源极、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端和第七电阻R7的另一端共同与GND端相连接。
优选地，所述第一电容C1和第二电容C2采用MOS电容。
优选地，所述RC振荡器的工作电源电压VDD由片外稳压电源产生。
本发明还公开了一种基于RC振荡器的片上温度检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过RC振荡器产生一定频率的时钟信号，所述时钟信号的频率随温度变化；
步骤S2：通过计数器获取时钟信号的频率；
步骤S3：CPU通过查表法得到当前时钟信号频率对应的温度值。
优选地，还包括以下步骤：
在存储器中预先存储频率-温度的查找表。
优选地，还包括以下步骤：
CPU根据当前温度值控制RC振荡器调整输出时钟信号的频率。
与现有技术相比较，本发明提出一种新型RC振荡器，大大减少了电路延迟，使振荡频率得到显著提高，能够确保产生稳定的高频率；运算放大器的偏置电流直接由RC振荡器偏置biasp端提供，避免了使用带隙电压源为电路提供参考电压，从而使RC振荡器能够产生稳定的bisap偏置电压，从而确保充电电流Ic的稳定。同时，利用RC振荡器工作的温度特性，将温度的变化反映到振荡器输出时钟频率的变化，CPU通过读取频率计数值，就可以得到当前芯片内核的温度，从而可以通过调整电路的工作主频，以控制芯片的整体功耗，间接调节芯片的工作温度。从而无需额外在芯片中设置温度传感器，大大降低了温度传感器所占用的芯片面积，同时能够满足各种时钟控制的应用需求。
附图说明
图1为本发明基于RC振荡器的片上温度传感器的原理框图。
图2为本发明中RC振荡器的电路原理图。
图3为本发明中电阻控制单元的一种实施方式的电路原理图。
图4为本发明中电阻控制单元的另一种实施方式的电路原理图。
图5为各种类型电阻的温度特性曲线。
图6为本发明中运算放大器的电路原理图。
图7为本发明中输出温度敏感电流的仿真结果。
图8为本发明基于RC振荡器的片上温度检测方法的流程框图。
图9为进行多项式拟合温度散点图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的一种基于RC振荡器的片上温度传感器作进一步说明。
为了克服现有技术的缺陷，申请人针对SD/MMC控制器芯片，采用TSMC 0.18μmCMOS工艺，设计了一种基于RC振荡器的片上温度传感器。利用RC振荡器工作的温度特性，将温度的变化反映到振荡器输出时钟频率的变化，CPU通过读取频率计数值，就可以得到当前芯片内核的温度，从而可以通过调整电路的工作主频，以控制芯片的整体功耗，间接调节芯片的工作温度。
参见图1，所示为本发明基于RC振荡器的片上温度传感器的原理框图，包括RC振荡器、计数器、CPU和存储器，其中，RC振荡器用于产生一输出频率随温度变化的时钟信号；计数器用于在一定闸门时间内计数时钟信号的脉冲个数并计算出RC振荡器的输出时钟信号的频率；存储器用于预先存储频率-温度的查找表；CPU用于根据获取的时钟信号频率通过查表法得到当前时钟信号频率对应的温度值。
上述技术方案中，设计一个温度系数稳定的RC振荡器是关键。申请人对现有技术中各种RC振荡器结构进行了深入的研究，申请人发现，RC振荡器频率主要由电阻R、电容C、电容充电电流Ic以及充电控制时延等参数决定，而这些参数易受电源电压、工艺等因素的影响，正是这些参数的不准确导致频率产生误差，进而导致RC振荡器输出频率不稳定，影响温度测量的精度。具体原因如下：
1、现有技术采用比较器控制RC充放电，比较器延迟加入到RC时间常数，电容充放电超出阈值的部分引入RC时间常数，使周期增大，导致频率无法进一步提高。
2、运放工作电压不稳定引起电容充电电流Ic的变化。
3、电容精度不高，使周期产生偏差。
在上述研究的基础，为了克服上述技术缺陷，本发明提出了改进的技术方案。参见图2，所示为本发明设计的RC振荡器的电路原理图，包括运算放大器AMP1、电阻控制单元、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第一非门NG1、第二非门NG2、第三非门NG3、第四非门NG4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和RS触发器，其中，运算放大器AMP1的正向输入端与基准电压Vref端相连接，运算放大器AMP1的反向输入端与第一NMOS管NM1的源极和电阻控制单元的res连接端相连接，运算放大器AMP1的VOUT输出端与第一NMOS管NM1的栅极相连接，第一NMOS管NM1的漏极与第一PMOS管PM1的漏极及栅极、第二PMOS管PM2的栅极、第三PMOS管PM3的栅极、第四PMOS管PM4的栅极和第三电容C3的一端相连接，并作为偏置biasp端为运算放大器AMP1提供偏置电压；第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极、第三PMOS管PM3的源极、第四PMOS管PM4的源极和第三电容C3的另一端共同与电源输入VDD端相连接；第二PMOS管PM2的漏极与第二NMOS管NM2的漏极和第一非门NG1的输入端相连接，第一非门NG1的输出端与第三NMOS管NM3的栅极和RS触发器的输入S端相连接；第三PMOS管PM3的漏极与第五PMOS管PM5的源极和第六PMOS管PM6的源极相连接，第五PMOS管PM5的漏极与第二NMOS管NM2的栅极、第三NMOS管NM3的漏极和第一电容C1的一端相连接，第六PMOS管PM6的漏极与第四NMOS管NM4的漏极、第五NMOS管NM5的栅极和第二电容C2的一端相连接；第四PMOS管PM4的漏极与第二非门NG2的输入端和第五NMOS管NM5的漏极，第二非门NG2的输出端与第四NMOS管NM4的栅极和RS触发器的输入R端相连接，RS触发器的输出Q1端与第五PMOS管PM5的栅极和第三非门NG3的输入端相连接，第三非门NG3的输出端与第六PMOS管PM6的栅极相连接，RS触发器的输出Q2端与第四非门NG4的输入端相连接，第四非门NG4的输出端作为RC振荡器输出OUT端，第二NMOS管NM2的源极、第三NMOS管NM3的源极、第四NMOS管NM4的源极、第五NMOS管NM5的源极、第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端共同与GND端相连接。其中，电阻控制单元具有温度特性，其阻值呈现稳定的温度系数。
上述电路的工作原理如下，运算放大器AMP1、NMOS管NM1和电阻控制单元R组成电压-电流转换电路。运放的正向输入端接参考电压Vref，输出端直接连到NM1的栅极，NM1的源极反馈到运放反向输入端。这样，电阻控制单元上端的电压就被钳制为Vref，使流过R的电流与R的大小成反比。
PM1、PM3组成基本电流镜，基准电流为Iref。流过PM3的电流Ic为Iref的一个精确复制，其大小为：
恒定电流Ic为电容C1，C2充电。PM5、PM6、NM3、NM4为电容充放电的控制开关。当CTL信号为低电平时，开关管PM5导通，PM6关断，电流Ic全部流过PM5对电容C1充电。随着C1电压升高，CMP1电压逐渐降低。CMP1通过反相器接到开关管NM3栅极，NM3的栅极电压升高，最后使NM3导通，电容C1通过NM3放电。C1放电结束，CTL信号变为高电平，开关管PM5关断，PM6导通，电流Ic全部流过PM6对C2充电，充放电过程同C1。随着电流Ic轮流为C1、C2充电，RS触发器的输出端产生周期性的脉冲方波。C1、C2的充电周期分别为：
Vc为电容充电使反相器发生翻转所需达到的电压。
因此，脉冲方波的振荡周期为：
本发明采用MOS管和反相器的结构替代现有技术中通过比较器来控制RC充放电，由于MOS管开关速度能达到1ns以内，从而大大减少了电路延迟，使振荡频率得到显著提高；本发明电路中无需使用差分输入的比较器，避免使用带隙电压源做参考电压，从而大大提升了电路稳定性；反相器保证了电容放电控制开关、异或门的输入信号更加稳定。同时，这种电路结构简单，使RC振荡器能够在低电压(1.2V)以下工作。
采用上述技术方案，电阻控制单元具有温度特性且其阻值呈现稳定的温度系数，进而产生一个温度敏感的电流，作为RC振荡电路中电容的充电电流。同样，电路中的其他部分通过电流镜从偏置电路中镜像偏置电流。从而RC振荡器输出频率随温度变化的时钟信号。
在一种优选实施方式中，第一电容C1和第二电容C2均采用MOS电容，使用MOS管做电容能够实现一个容值很小且精度高的小电容，且不会产生寄生电容，不受工艺、温度等变化影响，从而能够产生稳定的高频率。
参见图3，所示为本发明中电阻控制单元的一种实施方式的电路原理图，电阻控制单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十五NMOS管NM15、第十六NMOS管NM16和第十七NMOS管NM17，其中，第四电阻R4的一端作为res连接端，第四电阻R4的另一端与第十七NMOS管NM17的源极和第三电阻R3的一端相连接，第三电阻R3的另一端与第十七NMOS管NM17的漏极、第十六NMOS管NM16的源极和第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第十六NMOS管NM16的漏极、第十五NMOS管NM15的源极和第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端和第十五NMOS管NM15的漏极共同与GND端相连接；第十五NMOS管NM15的栅极与第一频率控制信号freq1端相连接，第十六NMOS管NM16的栅极与第二频率控制信号freq2端相连接，第十七NMOS管NM17的栅极与第三频率控制信号freq3端相连接。其中，第一频率控制信号freq1端、第二频率控制信号freq2端和第三频率控制信号freq3端均与所述CPU相连接。
从公式(1)、(2)、(5)可知，RC振荡器的输出频率受电阻R控制。当电阻R增大时，电容充电电流Ic减小，振荡周期增大，频率减小。通过信号freq0、freq1、freq2控制开关管NM15、NM16和NM17，起到调节电阻的作用。从而实现振荡器输出频率数字可调。
参见图4，所示为本发明中电阻控制单元的另一种实施方式的电路原理图，电阻控制单元还包括第五非门NG5、第十八NMOS管NM18和第十九NMOS管NM19相连接，第五非门NG5的输入端和电阻选择信号rint_en端相连接，第五非门NG5的输出端与第十九NMOS管NM19的栅极相连接，第十九NMOS管NM19的源极与res连接端相连接，第十九NMOS管NM19的漏极与外部电阻输入rext端相连接；第十八NMOS管NM18的栅极与电阻选择信号rint_en端相连接，第十八NMOS管NM18的源极与第一电阻R1的另一端和第十五NMOS管NM15的漏极相连接，第十八NMOS管NM18的漏极接地。其中，电阻选择信号rint_en端与所述CPU相连接。
上述电路结构中，rint_en为内部电阻使能信号，当rint_en信号为高电平时，NM19关断，NM18导通。RC振荡器使用内部多晶硅电阻控制电容的充电电流，通过信号freq0、freq1、freq2控制开关管NM15、NM16和NM17，起到调节电阻的作用。当rint_en信号为低电平时，开关管NM19导通，NM18关断，RC振荡器使用外部电阻控制电容的充电电流。此时，可通过选择适当的外部电阻，微调振荡器输出时钟的频率。
采用上述技术方案，主要有以下功能及特点：
1)可以通过CPU使能或关闭温度传感器：在电路中设计开关MOS管，当电路无需工作时，开关MOS管导通或者关断，使电路中的工作MOS管均处于截止状态，以降低电路功耗。
2)使用了RC振荡器结构，可以通过改变电阻类型或阻值大小来控制输出时钟的特性。可以通过固件来选择使用高温度系数的电阻，或低温度系数的电阻。若使用高温度系数的电阻，则可以增大温度传感器的灵敏度。若使用低温度系数的电阻，则可以减小振荡器输出时钟频率的温度系数，此时可以将RC振荡器的输出时钟信号作为存储器的控制时钟，并且可以通过CPU调节输出时钟频率。另外，也可以选择使用外部热敏电阻进行工作，此时可以进行板级测温。
3)使用查表法进行计数器计数值与温度之间的转换。SD/MMC控制器芯片在首次测温前，需要通过高低温测试箱将计数器计数值与温度的关系写入存储器中，之后即可通过查表的方式通过计数器的计数值得到当前的芯片温度。
在一种优选实施方式中，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4采用阱电阻。
在CMOS工艺中，电阻主要有4类，包括多晶硅电阻、扩散电阻、阱电阻和金属电阻。多晶硅电阻使用的材料和MOS管的栅极材料相同。其温度系数由掺杂类型决定。扩散电阻是在衬底或者阱中制造n+或p+扩散区而成的。例如，在n阱CMOS工艺中，n+电阻在p型衬底上实现，p+电阻在n型衬底上实现。它们都具有负的温度系数。阱电阻利用阱作为电阻的主体。由于阱的掺杂浓度低，所以阱电阻拥有很大的方块电阻。n阱电阻拥有正的温度系数。金属电阻通常使用的是铝材料，它的方块电阻太小，只能用于实现较小的电阻。
为了获得最佳温度测量效果，本申请对TSMC 0.18μm CMOS工艺中常用的电阻进行温度测试，设定电源电压VDD＝1.2V，设置各类型电阻在20℃时电阻约为5kΩ。在直流仿真中对电阻的温度特性进行扫描，扫描范围为－40～150℃。各种类型电阻的温度特性曲线如图5所示。图中，rnwell表示n阱电阻，rnplus表示n+扩散电阻，rphpoly和rnhpoly分别为p型和n型掺杂的高欧姆(high-ohmic)多晶硅电阻。
由仿真结果可知n阱电阻rnwell拥有正的温度系数，且温度系数最大，最适合用于产生温度敏感的电流，并可以提高温度传感器的灵敏度。相对的，p型掺杂的多晶硅电阻温度系数最小，通常用于需要温度不敏感的电路。若不考虑非线性的情况，根据电阻的温度系数计算公式：
其中T1＝－40℃，T2＝150℃，R1＝4.33kΩ，R2＝7.83kΩ，计算可得rnwell的温度系数约为4.25×10-3/℃。
在一种优选实施方式中，RC振荡器的工作电源电压VDD由片外稳压电源产生。在本发明的CMOS温度传感器中，若温度敏感电流受到电源电压变化的影响，则会使最终测温结果产生偏差，降低温度传感器的精度。为了降低电源电压变化影响，在本发明设计的温度传感器中，1.2V的电源电压通过片外LDO稳压器获得，而不是由片上电路产生的。片外LDO稳压器(型号为SPX3819M5-L-1-2/TR)能够提供一个在－40～125℃温度范围内，精确度为±1％的1.2V电压。因此，直接利用V-I转换电路结合温度系数较大的n阱电阻，运放使用与电源无关的偏置电路，即可产生所需的温度敏感的电流。
参见图6，所示为为本发明中运算放大器的电路原理图，运算放大器AMP1进一步包括第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、第十一NMOS管NM11、第十二NMOS管NM12、第十三NMOS管NM13、第十四NMOS管NM14、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第十一PMOS管PM11、第十二PMOS管PM12、第十三PMOS管PM13、第十四PMOS管PM14、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，其中，第七PMOS管PM7的栅极与偏置biasp端相连接，第七PMOS管PM7的源极、第八PMOS管PM8的源极、第九PMOS管PM9的源极、第十一PMOS管PM11的源极、第十三PMOS管PM13的源极、第六NMOS管NM6的漏极和第八电阻R8的一端共同与电源输入VDD端相连接，第七PMOS管PM7的漏极与第六NMOS管NM6的源极、第七NMOS管NM7的栅极、第八NMOS管NM8的栅极及漏极、第九NMOS管NM9的栅极、第十NMOS管NM10的栅极和第十一NMOS管NM11的栅极相连接并共同与基准电压Vref端连接；第八电阻R8的另一端与第六NMOS管NM6的栅极和第七NMOS管NM7的漏极相连接，第九NMOS管NM9的漏极与第八PMOS管PM8的漏极及栅极、第十PMOS管PM10的栅极、第十二PMOS管PM12的栅极和第十四PMOS管PM14的栅极相连接，第九NMOS管NM9的源极与第五电阻R5的一端相连接；第九PMOS管PM9的漏极与第十PMOS管PM10的源极相连接；第九PMOS管PM9的栅极与第十一PMOS管PM11的栅极、第十三PMOS管PM13的栅极、第十PMOS管PM10的漏极和第十NMOS管NM10的漏极相连接，第十NMOS管NM10的源极与第六电阻R6的一端相连接；第十一PMOS管PM11的漏极与第十二PMOS管PM12的源极和第十一NMOS管NM11的漏极相连接；第十一NMOS管NM11的源极与第十二NMOS管NM12的源极和第七电阻R7的一端相连接；第十三PMOS管PM13的漏极与第十四PMOS管PM14的源极和第十二NMOS管NM12的漏极相连接，第十二NMOS管NM12的栅极与运算放大器反向输入端V-相连接；第十二PMOS管PM12的漏极与第十四NMOS管NM14的栅极和第十三NMOS管NM13的栅极及漏极相连接，第十四NMOS管NM14的漏极与第十四PMOS管PM14的漏极相连接作为运算放大器输出VOUT端；第七NMOS管NM7的源极、第八NMOS管NM8的源极、第十三NMOS管NM13的源极、第十四NMOS管NM14的源极、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端和第七电阻R7的另一端共同与GND端相连接。
上述运算放大器电路中，运放采用折叠式共源共栅结构，由两级放大器构成。NM11和NM12构成输入差分对，是放大器的共源级，电阻R7为差分对提供尾电流。PM12和PM14构成电路的共栅增益级，PM11和PM13构成恒流源既作为第一级的有源负载同时也为第二级电路提供电流源，NM13和NM14为镜像电流源，作为电路的有源负载同时也起到双端转单端的作用。
由于运算放大器的偏置电路直接镜像Iref作为偏置电流，避免了使用带隙电压源为电路提供参考电压，从而使RC振荡器能够产生稳定的bisap偏置电压，从而确保充电电流Ic的稳定。
在一种优选实施方式中，本发明电路中主要参数的优选值如下表1所示：
表1 RC振荡器主要参数优选值
参数 值
I<sub>c</sub> 160uA
I<sub>ref</sub> 80uA
C1、C2 W＝20um，L＝2um
R0 0.63KΩ
R1 1.27KΩ
R2 2.51KΩ
R3 3.77KΩ
NM11、NM12 W＝10um，L＝2um
NM13、NM14 W＝4um，L＝4um
PM11、PM13 W＝40um，L＝2um
PM12、PM14 W＝20um，L＝1um
R7 24KΩ
本发明设计的RC振荡器电路基于SMIC 0.13umCMOS工艺绘制版图，同时能够采用SMIC 0.13umCMOS工艺流片为RC振荡器芯片。为了验证本发明RC振荡器的技术效果，通过电路仿真和实际电路测试两个途径来获得实验数据。
由上表可知，设定其电阻值大小为R3＝3.77kΩ，R2＝2.51kΩ，R1＝1.26kΩ，R0＝0.63kΩ，阻值的设定使电阻值能够在3.77～8.18kΩ之间以11％的步长进行调节。freq0、freq1、freq2为数字控制信号，分别作用于3个NMOS开关管，用于控制对应电阻是否接入电路，以控制总接入电阻的大小。rint_en信号为内部电阻使能信号，当rint_en信号为高电平时，开关管NM4导通，NM3截止，内部电阻阵列工作。当rint_en信号为低电平时，rint_en信号通过反相器接到NMOS开关管NM3，NM3导通，NM4截止，此时相当于内部电阻为无穷大，外部电阻决定电路总的接入电阻。若外部电阻使用温度敏感的电阻则可以用于测量电路板上的温度。
设定电源电压VDD＝1.2V，电路接入总电阻rnwell＝5.6kΩ，电路中其余器件的参数按上表进行设定。在直流仿真中对电路的温度特性进行扫描，扫描范围为－40～150℃。输出温度敏感电流的仿真结果如图7所示。
由图7可知，在温度从－40变化到150℃时，电路输出电流从90.92μA变化到56.05μA。计算可得电流的温度系数约为3.27×10-3/℃。
参见图8，本发明还公开了一种基于RC振荡器的片上温度检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过RC振荡器产生一定频率的时钟信号，所述时钟信号的频率随温度变化；
步骤S2：通过计数器获取时钟信号的频率；
步骤S3：CPU通过查表法得到当前时钟信号频率对应的温度值。
在一种优选实施方式中，还包括以下步骤：在存储器中预先存储频率-温度的查找表。
在一种优选实施方式中，还包括以下步骤：CPU根据当前温度值控制RC振荡器调整输出时钟信号的频率。
采用上述技术方案，利用RC振荡器工作的温度特性，将温度的变化反映到振荡器输出时钟频率的变化，CPU通过读取频率计数值，就可以得到当前芯片内核的温度，从而可以通过调整电路的工作主频，以控制芯片的整体功耗，间接调节芯片的工作温度。从而无需额外在芯片中设置温度传感器，大大降低了温度传感器所占用的芯片面积，同时能够满足各种时钟控制的应用需求。
以下再详细介绍本发明基于RC振荡器的片上温度检测方法实际过程。
首先对芯片进行频率-温度测试，以获得查找表。测试方法如下实际步骤如下：
1)设置图2中的rint_en信号为高电平，即使用内部电阻作为感温元件。设置freq0为低电平，freq1为低电平，freq2为高电平，使内部电阻总大小为5.6kΩ。由于示波器测量频率范围的限制，以及为了提高测量的准确性，设置温度传感器输出信号再经过10分频后，输出到引脚。
2)设置高低温试验箱的温度为x℃，当温度达到指定值后，等待10分钟，以保证芯片温度稳定。
3)通过PC机使能温度传感器。
4)使用示波器测量频率输出引脚上时钟信号的频率，并记录数据。
5)通过PC机关闭温度传感器。
6)重复(2)、(3)、(4)、(5)步，完成不同温度下频率的测量。
频率-温度测试结果如表2所示。
表2频率-温度测试数据
将表2中的数据用MATLAB绘制成散点图，并进行多项式拟合，如图9所示。并得到的多项式拟合公式为
f(T)＝-0.0761T+27.51
数据拟合后得到查找表如表3所示。其余电阻值下的系数可通过相同的测试获得，本文不再赘述。实际测温时，首先获得当前温度传感器的输出频率，然后通过当前芯片所设置的freq0、freq1和freq2的值查表找到对应的温度系数，最后计算得到温度值。
表3查找表
为了验证查找表测温的正确性，并得到温度传感器的测温精度，进行以下步骤的测试。
1)芯片初始化过程同上。
2)随机选取－10～80℃中的10个温度值T1、T2…T10。
3)设置高低温试验箱为其中一个温度值Tn，其中1≤n≤10。
4)待温度稳定后等待10分钟，测试温度传感器的输出时钟频率值fn。
5)根据fn的值查表并计算出对应的温度值，并与Tn比较，计算测温偏差。
6)重复步骤(3)、(4)、(5)获得多组测温数据。
精度测试结果如表4所示。
表4精度测试表
根据表4所得结果可知，本发明所设计的温度传感器精度在±3℃以内。另外，可见表4中的温度误差值都为正，其原因是由于多项式拟合得到的频率-温度公式存在一定误差。但在实际使用中，使用多项式拟合得到的公式，使温度测量值的误差小于3℃，已经能够满足SD/MMC控制器芯片的应用需要，且实际操作简单、效率高，并无需额外设置温度传感器。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于RC振荡器的片上温度传感器，其特征在于，包括RC振荡器、计数器、CPU和存储器，其中，所述RC振荡器用于产生一输出频率随温度变化的时钟信号；所述计数器用于在一定闸门时间内计数时钟信号的脉冲个数并计算出所述RC振荡器的输出时钟信号的频率；所述存储器用于预先存储频率-温度的查找表；所述CPU用于根据获取的时钟信号频率通过查表法得到当前时钟信号频率对应的温度值；
所述RC振荡器包括运算放大器AMP1、电阻控制单元、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第一非门NG1、第二非门NG2、第三非门NG3、第四非门NG4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和RS触发器，其中，所述运算放大器AMP1的正向输入端与基准电压Vref端相连接，所述运算放大器AMP1的反向输入端与所述第一NMOS管NM1的源极和电阻控制单元的res连接端相连接，所述运算放大器AMP1的VOUT输出端与所述第一NMOS管NM1的栅极相连接，所述第一NMOS管NM1的漏极与所述第一PMOS管PM1的漏极及栅极、所述第二PMOS管PM2的栅极、所述第三PMOS管PM3的栅极、所述第四PMOS管PM4的栅极和所述第三电容C3的一端相连接，并作为偏置biasp端为所述运算放大器AMP1提供偏置电流源；所述第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极、第三PMOS管PM3的源极、第四PMOS管PM4的源极和所述第三电容C3的另一端共同与电源输入VDD端相连接；所述第二PMOS管PM2的漏极与所述第二NMOS管NM2的漏极和所述第一非门NG1的输入端相连接，所述第一非门NG1的输出端与所述第三NMOS管NM3的栅极和所述RS触发器的输入S端相连接；所述第三PMOS管PM3的漏极与所述第五PMOS管PM5的源极和所述第六PMOS管PM6的源极相连接，所述第五PMOS管PM5的漏极与所述第二NMOS管NM2的栅极、第三NMOS管NM3的漏极和所述第一电容C1的一端相连接，所述第六PMOS管PM6的漏极与所述第四NMOS管NM4的漏极、第五NMOS管NM5的栅极和第二电容C2的一端相连接；所述第四PMOS管PM4的漏极与所述第二非门NG2的输入端和第五NMOS管NM5的漏极，所述第二非门NG2的输出端与所述第四NMOS管NM4的栅极和所述RS触发器的输入R端相连接，所述RS触发器的输出Q1端与所述第五PMOS管PM5的栅极和所述第三非门NG3的输入端相连接，所述第三非门NG3的输出端与所述第六PMOS管PM6的栅极相连接，所述RS触发器的输出Q2端与所述第四非门NG4的输入端相连接，所述第四非门NG4的输出端作为所述RC振荡器输出OUT端，所述第二NMOS管NM2的源极、第三NMOS管NM3的源极、第四NMOS管NM4的源极、第五NMOS管NM5的源极、所述第一电容C1的另一端、所述第二电容C2的另一端共同与GND端相连接；
所述电阻控制单元具有温度特性，其阻值呈现稳定的温度系数；
所述电阻控制单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十五NMOS管NM15、第十六NMOS管NM16和第十七NMOS管NM17，其中，所述第四电阻R4的一端作为res连接端，所述第四电阻R4的另一端与所述第十七NMOS管NM17的源极和所述第三电阻R3的一端相连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第十七NMOS管NM17的漏极、第十六NMOS管NM16的源极和所述第二电阻R2的一端相连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第十六NMOS管NM16的漏极、第十五NMOS管NM15的源极和所述第一电阻R1的一端相连接，所述第一电阻R1的另一端和所述第十五NMOS管NM15的漏极共同与GND端相连接；所述第十五NMOS管NM15的栅极与第一频率控制信号freq1端相连接，所述第十六NMOS管NM16的栅极与第二频率控制信号freq2端相连接，所述第十七NMOS管NM17的栅极与第三频率控制信号freq3端相连接；
所述第一频率控制信号freq1端、所述第二频率控制信号freq2端和所述第三频率控制信号freq3端均与所述CPU相连接。
2.根据权利要求1所述的基于RC振荡器的片上温度传感器，其特征在于，所述电阻控制单元还包括第五非门NG5、第十八NMOS管NM18和第十九NMOS管NM19相连接，所述第五非门NG5的输入端和电阻选择信号rint_en端相连接，所述第五非门NG5的输出端与所述第十九NMOS管NM19的栅极相连接，所述第十九NMOS管NM19的源极与res连接端相连接，所述第十九NMOS管NM19的漏极与外部电阻输入rext端相连接；所述第十八NMOS管NM18的栅极与电阻选择信号rint_en端相连接，所述第十八NMOS管NM18的源极与所述第一电阻R1的另一端和所述第十五NMOS管NM15的漏极相连接，所述第十八NMOS管NM18的漏极接地；所述电阻选择信号rint_en端与所述CPU相连接。
3.根据权利要求2所述的基于RC振荡器的片上温度传感器，其特征在于，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4采用阱电阻。
4.根据权利要求1所述的基于RC振荡器的片上温度传感器，其特征在于，所述运算放大器AMP1进一步包括第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、第十一NMOS管NM11、第十二NMOS管NM12、第十三NMOS管NM13、第十四NMOS管NM14、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第九PMOS管PM9、第十PMOS管PM10、第十一PMOS管PM11、第十二PMOS管PM12、第十三PMOS管PM13、第十四PMOS管PM14、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，其中，所述第七PMOS管PM7的栅极与偏置biasp端相连接，所述第七PMOS管PM7的源极、第八PMOS管PM8的源极、第九PMOS管PM9的源极、第十一PMOS管PM11的源极、第十三PMOS管PM13的源极、第六NMOS管NM6的漏极和所述第八电阻R8的一端共同与电源输入VDD端相连接，所述第七PMOS管PM7的漏极与第六NMOS管NM6的源极、第七NMOS管NM7的栅极、第八NMOS管NM8的栅极及漏极、第九NMOS管NM9的栅极、第十NMOS管NM10的栅极和第十一NMOS管NM11的栅极相连接并共同与基准电压Vref端连接；所述第八电阻R8的另一端与第六NMOS管NM6的栅极和第七NMOS管NM7的漏极相连接，所述第九NMOS管NM9的漏极与第八PMOS管PM8的漏极及栅极、第十PMOS管PM10的栅极、第十二PMOS管PM12的栅极和第十四PMOS管PM14的栅极相连接，所述第九NMOS管NM9的源极与第五电阻R5的一端相连接；所述第九PMOS管PM9的漏极与第十PMOS管PM10的源极相连接；所述第九PMOS管PM9的栅极与第十一PMOS管PM11的栅极、第十三PMOS管PM13的栅极、第十PMOS管PM10的漏极和第十NMOS管NM10的漏极相连接，所述第十NMOS管NM10的源极与第六电阻R6的一端相连接；所述第十一PMOS管PM11的漏极与第十二PMOS管PM12的源极和第十一NMOS管NM11的漏极相连接；所述第十一NMOS管NM11的源极与第十二NMOS管NM12的源极和第七电阻R7的一端相连接；所述第十三PMOS管PM13的漏极与第十四PMOS管PM14的源极和第十二NMOS管NM12的漏极相连接，所述第十二NMOS管NM12的栅极与运算放大器反向输入端V-相连接；所述第十二PMOS管PM12的漏极与第十四NMOS管NM14的栅极和第十三NMOS管NM13的栅极及漏极相连接，所述第十四NMOS管NM14的漏极与第十四PMOS管PM14的漏极相连接作为运算放大器输出VOUT端；所述第七NMOS管NM7的源极、第八NMOS管NM8的源极、第十三NMOS管NM13的源极、第十四NMOS管NM14的源极、第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端和第七电阻R7的另一端共同与GND端相连接。
5.根据权利要求1所述的基于RC振荡器的片上温度传感器，其特征在于，所述第一电容C1和第二电容C2采用MOS电容。
6.根据权利要求1所述的基于RC振荡器的片上温度传感器，其特征在于，所述RC振荡器的工作电源电压VDD由片外稳压电源产生。
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