CN108027414B

CN108027414B - 片上参数测量

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Publication number: CN108027414B
Application number: CN201680050150.0A
Authority: CN
Inventors: J·萨沃杰; B·S·雷柏沃茨; E·S·芳
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: DE112016004414T5; US9720033B2; KR20180034528A; US20170089975A1; WO2017058342A1; CN108027414A; KR101999076B1

Abstract

本发明公开了一种用于执行片上参数测量的设备和方法。在一个实施方案中，IC包括多个功能电路块，每个功能电路块具有用于测量诸如电压和温度的参数的一个或多个传感器。所述功能块中的每一者包括被耦合以从局部供电电压节点接收电力的电路。类似地，所述传感器中的每一者中的电路也被耦合以从所述对应的局部供电电压节点接收电力。可校准所述传感器中每一者以补偿工艺、电压和温度变化。可使用基于传感器的特性的各种方法来执行校准。

Description

片上参数测量

背景技术

技术领域

本公开涉及集成电路，并且更具体地涉及在集成电路的操作期间监测诸如温度和电压的参数。

背景技术

集成电路(IC)上的晶体管数量随着特征部尺寸的减小而相应地增加。每单位面积晶体管数量的增加导致IC的热输出相应地增加。此外，每单位面积晶体管数量的增加也对应于提供给IC上各种功能电路的供电电压的降低。这继而为平衡IC的性能、功率消耗和热输出带来了重大挑战。为此，许多IC实现了监测IC的各种度量(例如，温度、电压、电压衰减)的子系统，并且基于接收到的测量结果来调整性能。例如，控制子系统可响应于超过预定义阈值的温度读数来减小时钟频率、供电电压或两者。这可有助于使IC的操作保持在指定的发热限制范围内。此类控制系统也可在所测得的度量完全在限制范围内时提高某些功能电路的性能。

用于基于系统度量来控制性能的IC子系统通常包括一个或多个传感器和至少一个控制系统。由于诸如工艺、电压和温度变化等因素，此类子系统的至少这些传感器可被耦合以从与用于为IC中的功能电路供电的电源不同的电源接收电力。例如，某些IC使用与用于为功能电路供电的那些电源分开的模拟电源。这可使传感器在一定程度上不受为IC上的功能电路供电的电源中引起的变化的影响。

发明内容

本发明公开了一种用于执行片上参数测量的设备和方法。在一个实施方案中，IC包括多个功能电路块，每个功能电路块具有用于测量诸如电压和温度的参数的一个或多个传感器。这些功能块中的每一者包括被耦合以从局部供电电压节点接收电力的电路。类似地，这些传感器中的每一者中的电路也被耦合以从该对应的局部供电电压节点接收电力。可校准这些传感器中的每一者以补偿工艺、电压和温度变化。可使用基于传感器的特性的各种方法来执行校准。

在一个实施方案中，一种方法包括在IC的各种功能电路块中实现传感器。如在其对应的功能电路块中实现的电路一样，这些传感器被耦合以接收相同的局部供电电压。这些传感器最初可在已知电压和温度下在自动测试设备(ATE)上进行校准。随后的校准可在IC操作期间执行，例如，在实现IC的系统的启动期间。

在各种实施方案中，这些传感器可使用环形振荡器来实现。在一个实施方案中，每个传感器可包括两个独立的具有不同特性的环形振荡器。可从两个环形振荡器获得频率，并且可基于该频率求解电压和温度。在另一个实施方案中，单个环形振荡器可用能够接收可变输入电压和偏置电压的专门配置的反相器来实现。可使用多种感测技术来确定电压和温度。可使用各种数学技术(包括分段线性拟合、递归最小二乘算法和各种表面拟合技术)来校准和表征环形振荡器。

附图说明

现在对附图进行简要说明，下面的具体说明将参照附图进行描述。

图1是IC的一个实施方案的框图。

图2是具有多个传感器的功能电路块的一个实施方案的框图。

图3是示出了用于采用两个环形振荡器的传感器的实施方案的操作概念的框图。

图4是具有两个环形振荡器的传感器的一个实施方案的框图。

图5是具有单个环形振荡器的传感器的一个实施方案的框图。

图6是用于实现环形振荡器的电路的一个实施方案的示意图。

图7是用于校准IC上的传感器的方法的一个实施方案的流程图。

图8是用于确定由使用两个环形振荡器的传感器所指示的电压和温度的方法的一个实施方案的流程图。

图9是用于确定由使用单个环形振荡器的传感器所指示的电压和温度的方法的一个实施方案的流程图。

图10是例示性系统的一个实施方案的框图。

尽管所公开的主题易受各种修改形式和替代形式的影响，但其具体实施方案在附图中以举例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解，附图及对附图的详细描述并非旨在将所公开的主题限制于所公开的特定形式，而正相反，其目的在于覆盖落在由所附权利要求书所限定的所公开主题的实质和范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。本文所使用的标题仅用于组织目的，并不旨在用于限制说明书的范围。如在整个本申请中所使用的那样，以允许的意义(即，意味着具有可能性)而非强制的意义(即，意味着必须)使用“可能”一词。类似地，字词“包括”(“include”，“including”，和“includes”)是指包括但不限于。

各种单元、电路或其他部件可被描述为“被配置为”执行一个或多个任务。在此类上下文中，“被配置为”为通常表示“具有”在操作期间执行一个或多个任务的“电路”的结构的宽泛表述。如此，即使在单元/电路/部件当前未接通时，单元/电路/部件也可被配置为执行任务。一般来讲，形成与“被配置为”对应的结构的电路可包括硬件电路和/或存储可执行以实现该操作的程序指令的存储器。该存储器可包括易失性存储器(诸如静态随机存取存储器或动态随机存取存储器)和/或非易失性存储器(诸如光盘或磁盘存储装置、闪存存储器、可编程只读存储器等)。类似地，为了描述中的方便，可将各种单元/电路/部件描述为执行一项或多项任务。此类描述应当被解释为包括短语“被配置为”。详述被配置为执行一项或多项任务的单元/电流/组件意在明确地不援引35 U.S.C.§112，段落(f)(或pre-AIA第六段)对该单元/电路/部件的解释。

具体实施方式

现在转向图1，其示出了IC的一个实施方案的框图。在所示实施方案中，IC 10包括两个功能电路块、处理单元(PU)130和PU 140。在各种实施方案中，可包括其他功能电路块，包括PU 130的另外实例。因此，本文示出了PU 130和PU 140作为示例性功能电路块，但并非旨在限制本公开的范围。PU 130和PU 140中的每一者可以是通用处理器内核、图形处理单元、数字信号处理单元或实质上被配置为执行处理功能的任何其他类型的功能单元。本公开的范围可适用于这些类型的功能电路块中的任一者以及本文中未明确提及的其他功能电路块。本文示出的功能电路块的数量也是示例性的，因为本公开不限于任何特定的数量。

所示实施方案中的PU 130是被配置为执行指令集的指令并执行通用处理操作的通用处理器内核。因此，PU 130的功能电路131可包括各种类型的电路，诸如各种类型(整数、浮点等)的执行单元、寄存器文件、调度器、指令取出单元、各种级别的高速缓存存储器以及其他可在处理器内核中实现的电路。在该实施方案中，PU 130以及其中的所有电路被耦合以接收供电电压Vdd1。然而需注意，可在PU 130的各种实施方案中实现多个电源域，并且因此实现多个供电电压。此外，提供给PU 130的供电电压在电源管理电路(未示出)的控制下可以是可变的。电源管理电路出于各种原因调整电压，诸如控制性能水平、热输出和功率消耗。

所示实施方案中的GPU 140包括可实现各种类型的图形处理电路的功能电路141。这可包括图形处理内核、各种类型的存储器和寄存器等。所示实施方案中的GPU 140被耦合以接收与PU 130所接收的Vdd1分开的第二供电电压Vdd2。

PU 130和PU 140均包括多个传感器120。本文示出的传感器的具体数量是示例性的，并且在实际的实施方案中可更大、更小或者相等。传感器120可被配置为感测一个或多个性能度量或参数。在该特定实施方案中，这些传感器被配置为感测电压和温度值。所感测的电压和温度值可进而用于确定其中实现的电路是否在限制范围内操作和/或是否能够具有更高的性能。

所示实施方案中的传感器120中的每一者都耦合到与功能电路块中的其相应一者中的功能电路相同的电压供应。也就是说，PU 130中的每个传感器120被耦合以接收供电电压Vdd1，而GPU 140中的每个传感器被耦合以接收Vdd2。在现有技术的实施方案中，此类传感器通常被耦合以从某个电源接收电力，该电源与这些传感器被实现的功能电路附近的功能电路的电源分开。这可能会限制它们在IC/功能电路模块中的布局，因为需要路由连接另一个电压供应。此外，现有技术实施方案中的这些传感器通常可大于本文所讨论的实施方案中使用的传感器，这可能进一步限制它们的数量和布局。相反，本文实现的传感器120可以是简化的传感器。因此，传感器120可比现有技术的传感器小。这继而可允许将更多的传感器放置在IC上。此外，这些传感器可被放置在较小的区域中，从而增加了其实施方式的通用性。在一个实施方案中，可使用一个或多个环形振荡器来实现传感器120。然而，由于由环形振荡器产生的频率可显著依赖于工艺、电压和温度变化，因此可校准这些环形振荡器使得这些依赖性不会不利地影响其精确度。下面将进一步详细讨论各种校准和操作方法。需注意，在测试期间，可使用自动测试设备(ATE)在已知电压和温度下对每个传感器执行初始校准(和表征)。可在实现IC 10的系统的启动和/或操作期间执行随后的校准。

所示实施方案中的IC 10包括量测控制电路(MCC)105。MCC 105可在IC 10的各种功能电路块中执行与传感器120操作有关的各种操作。在所示的实施方案中，MCC 105经由量测总线13耦合到传感器120中的每一者。在IC 10的操作期间，传感器120中的每一者可执行对例如其相应一个或多个环形振荡器的频率的读取、将该频率读数转换成数字格式并将该信息传输到MCC 105。在该实施方案中，MCC 105是串行总线，并且信息可在总线上移位，其操作方式类似于扫描链。然而，利用不同机构与传感器进行通信的实施方案是可能的且可设想的。

MCC 105可从这些传感器中的每一者经由量测总线13的其对应耦合的实例中接收频率信息。使用该频率信息，MCC 105可确定由传感器120中的每一者感测的电压和温度。在所示的实施方案中，MCC 105包括服务处理器111和存储器112。服务处理器111可执行软件例程的指令，以基于从传感器120中的每一者接收到的频率信息来求解电压和温度值。其中代替软件指令的执行使用专用电路来执行这些任务的实施方案也是可能的且可设想的。服务处理器可使用存储器112来存储各种信息，包括从传感器接收到的频率信息、所确定的电压和温度信息以及在执行计算期间产生的中间信息。存储器112还可存储表征其中的传感器和电路(例如，环形振荡器)的信息。存储器112可使用易失性存储器、非易失性存储器或其组合来实现。

MCC 105还包括传感器120的实例以及参考传感器107。MCC 105的传感器120被耦合以接收供电电压Vdd3(如同服务处理器111和存储器112一样)。此外，传感器120可根据在IC 10上实现的传感器120的其他实例来配置。参考传感器107可从模拟电压供应AVdd接收其供电电压。所示实施方案中的参考传感器107可以是不易受工艺、电压和温度变化影响的高精确度传感器。来自参考传感器107的温度读数可在校准期间用作参考，或者可用来确定何时可能需要重新校准。

图2是具有多个传感器120的功能电路块的一个实施方案的框图。在所示的实施方案中，功能电路块(FCB)211实际上可以是在IC上实现的任何类型的功能电路。功能电路211可包括数字电路、模拟电路和混合信号电路。FCB 211的传感器120被实现在功能电路211中及其周围的各个位置中。由于其占用区域相对较小，至少一些传感器120可在由功能电路211占据的区域内实现，而其他传感器可在附近或部分地在其内实现。本实施方案中的传感器120通过量测总线13以串联配置耦合，数据(例如，用于环形振荡器的频率数据)通过该量测总线可被移位。所示实施方案中的传感器120中的每一者被耦合以接收与功能电路211所接收的供电电压相同的供电电压Vdd。

图3是示出了用于采用两个环形振荡器的传感器的实施方案的操作概念的框图。在一些实施方案中，每个传感器包括被设计为具有彼此不同的特性的两个环形振荡器。这两个环形振荡器可彼此非常接近地实现，并且因此可在基本上相同的电压和温度条件下操作。然而，由于它们的特性彼此不同，所以这两个环形振荡器可在相同的电压和温度条件下以不同的频率操作。该原理可使用来自每个环形振荡器的频率读数来确定传感器处的电压和温度。

在所示的示例中，两个环形振荡器RO1和RO2分别耦合到计数器1和计数器2。在读取时，可允许每个环形振荡器将其相应的耦合计数器触发预先确定的时间量。在已经过预先确定的时间之后，这些计数器可被冻结并且提供它们的计数值以指示频率。

环形振荡器中的每一者可通过多项式来表征。更具体地讲，由每个环形振荡器输出的频率可通过电压和温度的非线性函数来表征，其形式如方程1所示：

f_RO＝Σα_ijTⁱV^j (1)

因此，RO1的频率可表征为：

f_RO1＝∑α_ijTⁱV^j (2)，

而RO2的频率可表征为：

f_RO2＝∑β_ijTⁱV^j (3)。

上述方程中的‘f’项可表示频率，或另选地，可表示振荡频率和相数的乘积与参考频率之比。该表达式中对应于给定环形振荡器的各项的数量的确定取决于该环形振荡器的特性。一般来讲，较高数量的非线性项会增加用多项式表示环形振荡器频率的准确性。

输出频率(或上述乘积)可提供给非线性方程求解器。使用表征环形振荡器的多项式，该联立方程组可求解由传感器检测到的电压和温度。在一个实施方案中，可使用服务处理器111(图1)和由此执行的软件指令来实现非线性方程求解器。更一般地，可使用硬件、软件、固件及其任何组合来实现非线性方程求解器。此外，可在相应的功能电路块中局部地执行非线性方程的求解，这在一些实施方案中是可能的且可设想的。

以上方程中的系数可基于实际的环形振荡器频率针对给定的一组电压和温度值来计算。考虑一个环形振荡器模型，其中使用用于计算环形振荡器特性的一组24个数据点(电压、温度和输出频率)的9项函数来定义频率。如果使用更多数量的数据点来确定系数，则所得到的函数可更好地表征对应的环形振荡器。该技术可被称为环形振荡器特性的表面拟合，并且可使用数值技术将一组大量的数据点映射到多项式。

作为一个示例，考虑环形振荡器的频率由以下表达式定义：

f_RO＝α₂₂T²V2+α₂₁T²V¹+α₂₀T²V⁰+α₁₂T¹V2+α₁₁T¹V¹+α₁₀T¹V⁰+α₀₂T⁰V²+α₀₁T⁰V¹+α₀₀T⁰V⁰(4)

如果环形振荡器频率的测量结果出现在以下范围内：

{(f₀，V₀，T₀)，(f₁，V₁，T₁)，...，(f₂₃，V₂₃，T₂₃)}，

那么可形成下列矩阵：

F＝[f₀ f₁ ... f₂₃] (5)

A＝[α₂₂ α₂₁ α₂₀ α₁₂ α₁₁ α₁₀ α₀₂ α₀₁ α₀₀] (6)

X＝[X₀ X₁ ... X₂₃]，

其中

因此，频率F可被定义为F＝AX (8)。使用最小二乘估计可求解项A，从而计算初始表面拟合中的所有系数。

这个概念可扩展到具有各自如上所述表征的一组不同特性的两个环形振荡器。因此，彼此非常接近地放置、接收相同的供电电压并且在基本上相同的局部温度下操作的两个环形振荡器可用如下两个表达式表征：

以上假设两个环形振荡器用具有相等长度的多项式来表征，但这对于所有实例不一定是必需的。

使用分段线性(PWL)技术可降低求解上述联立方程组的复杂性。使用该技术，可使用一组PWL函数来描述环形振荡器的输出频率的二维非线性表面。在整个电压和温度上的操作表面可被分成多个三角形区域，对于每个三角形区域，可使用电压和温度的线性函数来描述对应区域的特性。因此，整个表面可被分成整数n个PWL区域，如下所述：

PWL函数中的每一者的系数可使用描述任何给定区域的三角形的三个顶点处的输出频率来确定。例如，对于描述在第一轴上的温度T1和T2以及在第二轴上的电压V1和V2之间延伸的三角形的PWL函数，其中在(T₁,V₁)、(T₁,V₂)和(T₂,V₁)处测得的频率分别由f₁、f₂和f₃给出并且PWL的指数给出为i，则可求解以下方程组以便计算该区域中相应PWL函数的系数：

这可针对每个区域进行重复以确定其PWL特性，从而确定环形振荡器的操作表面。

一旦两个环形振荡器均已用一组PWL函数表征，那么求解一组非线性方程就被简化为求解一组PWL方程。对于每个PWL计算，要求解的方程可通常如下所述：

求解这两个方程得出温度T和电压V，结果如下：

如前所述，本文所讨论的计算可在MCC 105中执行，具体地为在服务处理器111中执行。这可允许每个传感器120在小区域中实现并限制其功率消耗，因为它不需要执行频率到电压和/或温度的任何转换。更一般地，用于测量频率的特征部可在每个传感器120内实现，而用于PWL计算、针对工艺变化的校准以及同样地针对精确度的校准的那些特征部可在MCC 105内实现。

每个环形振荡器的表面拟合(并因此其相应的PWL表示)可随每个工艺角而改变并且也可受到局部芯片上变化的影响。而且，由于诸如老化等的影响，给定的环形振荡器的精确度可能会降低。因此，用于此类环形振荡器的校准方案可更新每个环形振荡器的特性。这些特性可基于来自每个环形振荡器的有限的一组精确测量结果来更新。如果给定环形振荡器的初始(但不准确)模型为

f_{RO_precal}＝∑_i，jα_ijTⁱV^j (15)，

则可执行一组实际测量来更新系数，使得该环形振荡器的更精确模型如下：

该校准因子取决于初始模型和一组校准点两者。精确度随点数量的增加而相应地增大。相反，校准算法的效率可基于最小数量的数据点由后校准模型的精确度来确定。

在一个实施方案中，根据本公开的校准算法包括使用任何校准点处的误差信号的缩放值来更新系数。对于任何校准点，误差信号(e)可被定义为实际测量结果与由模型预测的值之间的差值。那就意味着

如果将初始模型(α_ij)中的系数合并成以A₀给出的矢量，则可使用递归方法针对每个单个校准点更新矢量：

A_k＝A_k-1+e_kG (18).。

在一个实施方案中，可使用递归最小二乘(RLS)技术来确定G矢量。这可继而导致相对较快地收敛到基于有限的一组校准数据的最终期望值。在使用RLS技术时，G矢量在每个步骤期间递归地更新。RLS技术可利用环形振荡器的如下另选的特性：

其中U是(i+1)(j+1)项的矢量，即：

U＝[TⁱV^j T^i-1V^j … T⁰V⁰] (20).。

由此，可形成对角矩阵：

对于任何校准点，可执行以下一组计算：

其中λ是遗忘因子，e是误差。

因此，使用诸如如上所述的递归最小二乘算法，可在校准规程期间更新表征环形振荡器的多项式的系数。此类校准可在不同的时间执行，诸如在系统启动时、在系统/IC的寿命期间的选定时间、响应于MCC 105中的参考传感器107和传感器120中大的变化等。因此，基于环形振荡器频率的电压和温度可在系统的使用寿命范围内以合理的精确度水平来确定，同时使得能够使用具有小占用面积的简单传感器。

图4是示出了利用两个环形振荡器的传感器的一个实施方案的框图。在所示的实施方案中，传感器140包括可具有相对于彼此不同的特性的环形振荡器141和142。在该特定实施方案中，环形振荡器141使用串联耦合的反相器来实现，而环形振荡器142使用串联耦合的与非门来实现。两个环形振荡器141和142均被耦合以接收相同的供电电压Vdd(局部)，并且彼此非常接近地放置。然而，由于电路的实施方式不同，环形振荡器141和142可在相同的操作条件下以不同的频率振荡。根据以上讨论，这可使环形振荡器141和142产生的相应频率成为求解传感器140处的电压和温度的基础。

环形振荡器141和142分别耦合到计数器143和144。这些计数器可耦合到其相应耦合的环形振荡器中的一个或多个抽头点。在进行测量期间，计数器143和144可跟踪一个或多个计数值，这些计数值继而可指示由环形振荡器141和142产生的频率。在一些实施方案中，计数器143和144中的每一者可包括跟踪运行时间的相应定时器，以允许计数器在测量期间累计计数。提供耦合到两个计数器的单独计时器的其他实施方案是可能的且可设想的。

计数器143和144各自耦合到寄存器144。使用寄存器144，MCC 105(图1)可将信息输入到计数器中，并且也可从其接收信息。例如，指示计数器用于跟踪由相应耦合的环形振荡器的振荡产生的计数值的运行时间的信息可经由寄存器145从MCC 105输入到计数器中。开始指示也可通过寄存器145输入。寄存器145可从计数器143和144接收在实际测量期间产生的计数值。根据图1所示的实施方案，这些值可通过量测总线13串行移位到MCC 105，以用于计算电压和温度值。其中寄存器145直接耦合到MCC 105的实施方式的实施方案也是可能的且可设想的。

图5是示出了利用单个环形振荡器的传感器的一个实施方案的框图。使用这种类型的传感器，电压和温度可使用多感测技术来确定，其中使用单个环形振荡器进行测量，并在不同的输入电压下执行测量。在该特定实施方案中的环形振荡器151被耦合以接收偏置电压V_Bias和可选输入电压V_in。偏置电压可由用于产生此类电压的任何合适的电路产生，并且对于所有测量可基本相同。用于产生偏置电压的电路相对于传感器可以是局部的，或者可全局地产生然后分配给传感器中的每一者。输入电压V_in可以是通过选择电路155输入的电压中的任一者。下文参考图6进一步描述了用于一个实施方案的这些电压的产生。可由MCC 105来执行用于选择这些电压的选择信号的控制。

所示实施方案中的环形振荡器151经由一个或多个抽头点耦合到计数器152，并且可在操作时使计数器触发。因此，计数器152可跟踪计数值，并且在预先确定的时间段结束时可停止计数并将计数值提供给寄存器153。然后计数值可被转发到MCC 105用于电压和温度计算。类似地，计数器152可以经由寄存器153以类似于上文参考图4的实施方案所描述的方式从MCC 105接收信息。

环形振荡器151可通过多项式以类似于上文参考图3所描述的方式来表征。该技术可能涉及用于在多个电压和频率下进行多频率测量的表面拟合技术。也就是说，根据电压和温度，环形振荡器151的频率响应可按照以上方程(1)和(4)来表征。

为了执行电压和温度测量，可在通过选择器155提供的四个不同的输入电压处进行频率测量。可进行以下频率测量：

对于V_in＝V_GS1 f₁＝f₀+K_VCO(V_GS1-V₀) (23)，

对于V_in＝V_GS2 f₂＝f₀+K_VCO(V_GS2-V₀) (24)，

对于V_in＝a₁V f₃＝f₀+K_VCO(a₁V-V₀) (25)，以及

对于V_in＝a₂V f₄＝f₀+K_VCO(a₂V-V₀) (26)。

上述方程组假设选择a₁V和a₂V是其接近V_GS1和V_GS2，使得所有这些电压可使用环形振荡器的同一线性模型(即K_VCO、V₀和f₀)。

从以上测量结果可推导出以下方程：

(f₄-f₃)/(f₂-f₁)＝(a₂-a₁)V/(V_GS1-V_GS2) (27)。

在亚阈值区域中V_TlnN，和V_T可被重写为kT/q。因此，方程25可被重写为

(f₄-f₃)/(f₂-f₁)＝(a₂-a₁)V/(kT/q)lnN (28)。

由此，环形振荡器的特性可被简化为：

f_RO＝Σβ_ijTⁱT^j (29)。

使用方程27，可求解温度T，并将其插回多项式特性中以求解电压V。

使用ATE进行校准时，可在两个温度和两个供电电压下确定频率。其他所测量的频率可使用线性插值。附加的频率测量可改善表面拟合。在操作过程中，可能会进行附加测量，其结果将用于替换插值，直到已替换所需的数量。这继而可提高正常操作期间所进行的测量的精确度。

图6包括在传感器150中并与其一起使用的电路元件的示意图。在所示的实施方案中，环形振荡器151包括多个串联耦合的反相器161。每个反相器161包括两个PMOS(p沟道金属氧化物半导体)晶体管和两个NMOS(n沟道金属氧化物半导体)晶体管的叠堆。PMOS叠堆包括P1和P2，NMOS叠堆包括N1和N2。在操作期间，P1的栅极端子接收上文参考图5所讨论的输入电压中的一者。类似地，N1在其相应的栅极端子上接收偏置电压V_Bias。P2和N2各自具有耦合到输入节点的相应栅极端子和耦合到输出节点的相应漏极端子。因此，P2和N2操作以执行实际的反相器功能。N1操作以设定反相器的特性，而P1操作以经由不同的V_in值改变反相器的特性。环形振荡器151的每个反相器161可以这种方式配置。在改变提供给每个反相器161的P1的输入电压时，可改变环形振荡器151的特性并因此改变由其输出的频率。这继而可允许执行校准和测量以确定由每个传感器检测到的温度和电压(即供电电压)。

所示实施方案中的参考电路162被配置为产生各种电压，这些电压可被提供给每个反相器161的P1作为V_in。该电路包括PMOS晶体管P3、P4和P5以及NMOS晶体管N3和N4。晶体管P3被耦合在Vdd(局部)和具有相对较大电阻值的电阻器R1之间。该电阻设定P3、P4和P5的栅极电压。电压V_GS1和V_GS2分别取自P4和P5的漏极端子。P4与P5的相对大小为1:N，因此电压V_GS1和V_GS2是不同的(这也是方程26中‘N’项的来源)。R1使用较大的电阻值可确保流经N3和N4的电流非常小，因此器件在亚阈值区域中操作。这保证了V_GS1和V_GS2之间的差值与绝对温度(PTAT)电压成正比。其他两个电压a₁V和a₂V从梯形电阻163上的抽头点产生。

参考电路162可以各种方式实现。在一个实施方案中，每个传感器可包括其专用的参考电路162。在另一个实施方案中，每个功能电路块可具有将这些电压提供给每个传感器的环形振荡器151的参考电路162。在又一个实施方案中，每个不同的电压供应(或电压轨)可与参考电路162相关联，该参考电路将各种电压分配给从相同源接收供电电压的每个环形振荡器151。

图7是用于执行IC中的一个或多个传感器的校准的方法的一个实施方案的流程图，其中这些传感器利用环形振荡器。可使用上文所讨论的各种电路实施方案中的任何一者以及与其相关联的软件和/或固件来执行方法700。也能够执行方法700的本文没有明确讨论的其他硬件/软件/固件实施方案是可能的且可设想的。

方法700以使用已知的V和T值在ATE上执行传感器的初始校准为起始(方框705)。在一个实施方案中，可使用至少两个不同点的V和T来校准每个环形振荡器。这些点之间的插值可用于完善对每个环形振荡器的初始表征。如果需要，也可使用另外的点。校准各个这种部分所使用的点的数量可基于期望的精确度、IC的各个单元在ATE上执行的可允许时间、可用的处理能力和可用的存储能力而变化。一般来讲，所使用的点数量越多，初始校准就越准确，但这通常会导致每个IC单元在ATE上执行的时间更长。

还需注意，本文执行的校准可包括执行上文所讨论的各种数学方法。然而，包括使用多项式或其他数学函数来表征环形振荡器的其他方法也是可能的且可设想的。

基于在ATE校准中使用的点，每个环形振荡器可用表示作为电压和温度的函数的环形振荡器的操作频率的多项式来表征(方框710)。该多项式可为后续的校准提供起始点，并且可响应于后续校准而被更新。

可在系统的随后启动中执行下一个校准(方框715)，该系统包括在其上实现了传感器的IC。响应于这些后续的校准，可更新表征每个环形振荡器的多项式(方框720)。在每次随后的下一次启动(方框725)时，该方法可返回到方框715，并且可用对应于校准后的环形振荡器的每个多项式的另一次更新来执行另一次校准。

校准的执行不限于上文所讨论的那些情况。例如，在一个实施方案中，校准也可在操作期间周期性地执行。在另一个实施方案中，可监测由MCC 105(或等效电路/单元)中的传感器和更精确的参考传感器检测到的V和T值。如果由传感器(其配置作为功能电路块中的那些)和参考传感器检测到的V和T的值相差超过预先确定的值，则可响应于此执行校准。在又一个实施方案中，如果由传感器和参考传感器检测到的V和T值之间的差值以突然的速率或大于预先确定的速率变化，则可执行校准。因此，本文所讨论的方法可被理解为包括在其范围内的此类实施方案。

图8是用于确定由使用两个环形振荡器的传感器所指示的电压和温度的方法的一个实施方案的流程图。本文所讨论的方法800的实施方案可使用其中传感器利用具有不同特性的两个环形振荡器的任何实施方案中的任一者来执行。环形振荡器的配置可包括上文明确讨论的那些以及本文未明确讨论的那些。上文所讨论的各种数学方法可用于表征在特定实施方案中采用的环形振荡器。本文未明确讨论的其他数学方法也可在本公开的范围内使用。

方法800以分别从第一环形振荡器和第二环形振荡器获得频率值f1和f2为起始(方框805)。可将这些频率值插入到表征产生它们的相应环形振荡器的多项式表达式中。由于环形振荡器可彼此非常接近地放置并因此在基本上相同的电压和温度条件下操作，因此可将表征它们的相应多项式视为联立方程组。因此，可基于所指示的f1和f2的值解该联立方程组求出电压和温度(方框810)。

图9是用于确定由使用单个环形振荡器的传感器所指示的电压和温度的方法的一个实施方案的流程图。如本文所讨论的方法900可使用包括具有如上所述的单个环形振荡器的传感器的各种实施方案来执行。其他硬件实施方案以及本文未明确讨论的支持软件和/或固件的实施方案也被设想为能够执行方法900，并且因此落入本公开的范围内。

方法900将环形振荡器表征为多项式函数，其中输出频率是电压和温度的函数(方框905)。在执行表征之后，使用不同的V_in值执行多次感测，从而测量频率f1-f4(方框910)。使用所确定的频率值，基于上文所讨论的方程(26)进行计算(方框915)。由此，环形振荡器的特性可简化为如上所述的方程27，其中用温度项替换电压项中的一者(方框920)。在用温度项替换电压项中的一者之后，可解方程27求出温度T，并且基于此，可计算电压V(方框925)。

接下来转向图10，其示出了系统150的一个实施方案的框图。在例示的实施方案中，该系统150包括耦接至外部存储器158的集成电路10的至少一个实例。该集成电路10可包括耦接至外部存储器158的存储器控制器。该集成电路10耦接到一个或多个外围设备154、以及外部存储器158。还提供了向集成电路10供应供电电压并且向存储器158和/或外围设备154供应一个或多个供电电压的电源156。在一些实施方案中，可包括集成电路10的多于一个实例(也可包括多于一个外部存储器158)。

根据系统150的类型，外围设备154可包括任何期望的电路。例如，在一个实施方案中，系统150可以是移动设备(例如个人数字助理(PDA)、智能电话等)，并且外围设备154可包括用于各种类型的无线通信的设备，诸如WiFi、蓝牙、蜂窝、全球定位系统等。外围设备154还可包括附加存储装置，该附加存储装置包括RAM存储装置、固态存储装置或磁盘存储装置。外围设备154可包括用户界面设备诸如显示屏，该用户界面设备包括触摸显示屏或多触摸显示屏、键盘或其他输入设备、麦克风、扬声器等。在其他实施方案中，系统150可以是任何类型的计算系统(例如，台式个人计算机、膝上型电脑、工作站、平板电脑等)。

该外部存储器158可包括任何类型的存储器。例如，外部存储器158可以是SRAM、动态RAM(DRAM)(诸如同步DRAM(SDRAM))、双数据速率(DDR、DDR2、DDR3、LPDDR1、LPDDR2等)SDRAM、RAMBUS DRAM等。该外部存储器158可包括存储器设备被安装到的一个或多个存储器模块，诸如单列直插存储器模块(SIMM)、双列直插存储器模块(DIMM)等。

一旦充分理解了以上公开，很多变型和修改对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。本发明旨在使以下权利要求书被解释为涵盖所有此类变型和修改。

Claims

1.一种具有多个传感器的集成电路，所述集成电路包括：

量测控制电路，其包括参考传感器；

一个或多个局部供电电压节点；

多个功能电路块，每个功能电路块包括功能电路，其中所述多个功能电路块中的每一者被耦合以从所述一个或多个局部供电电压节点中的至少一者接收对应的局部供电电压；以及

与所述量测控制电路串联耦合的多个传感器，其中：

所述多个功能电路块包括所述多个传感器中的至少一者；

所述多个传感器中的每一者被耦合到包含该传感器的所述功能电路块的相同局部供电电压节点以接收提供给在所述多个功能电路块中的其对应一者中实现的所述功能电路的局部供电电压；

所述多个传感器中的每一者被配置为测量和向所述量测控制电路提供系统参数的指示；并且

由所述量测控制电路使用所述参考传感器来校准所述传感器中的每一者以补偿工艺、电压和温度依赖性。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述多个传感器中的每一者包括至少两个环形振荡器，每个环形振荡器被耦合以接收提供给在所述功能电路块中的其对应一者中实现的所述功能电路的所述局部供电电压，其中所述环形振荡器相对于彼此各自具有不同的特性。

3.根据权利要求2所述的集成电路，其中校准所述多个传感器中的每一者中的所述环形振荡器中的每一者以使用所述环形振荡器的特性的表面拟合技术来补偿工艺、电压和温度依赖性。

4.根据权利要求2所述的集成电路，其中校准所述多个传感器中的每一者中的所述环形振荡器以使用分段线性技术来补偿工艺、电压和温度依赖性。

5.根据权利要求2所述的集成电路，其中在所述多个传感器中的每一者中：

所述环形振荡器中的第一者使用多个串联耦合的与非门来实现；

所述环形振荡器中的第二者使用多个串联耦合的反相器来实现；并且

其中所述多个传感器中的每一者还包括耦合到其相应环形振荡器的计数电路。

6.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述多个传感器中的每一者的所述环形振荡器中的每一者通过多项式来表征，其中在所述集成电路的操作期间，由所述多个传感器中的给定一者确定的电压和温度通过使用从所述环形振荡器中的每一者读取的相应频率和表征所述环形振荡器中的每一者的所述多项式求解电压和温度来确定。

7.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述多个传感器中的每一者耦合到控制电路，并且其中所述控制电路被配置为使用对应的校准多项式的递归最小二乘算法来执行所述多个传感器中的每一者的校准。

8.根据权利要求1所述的集成电路，还包括与所述多个传感器分开的温度传感器，其中所述温度传感器被耦合以接收与提供所述多个功能电路块中的每一者的局部供电电压分开的模拟供电电压。

9.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述多个传感器中的每一者被配置为提供以下指示中的至少一者：

温度；以及

电压。

10.一种用于校准多个传感器的方法，所述方法包括：

校准在集成电路中实现的多个传感器，所述多个传感器串联耦合到具有参考传感器的量测控制电路，其中所述集成电路包括多个功能电路块，并且其中所述多个传感器中的一者或多者被实现在所述多个功能电路块中的每一者中，并且其中所述多个传感器中的每一者被耦合到包含该传感器的所述功能电路块的相同局部供电电压节点以接收局部供电电压，所述局部供电电压也被在所述多个功能电路块中的其对应一者中的功能电路接收，并且其中校准所述多个传感器中的每一者包括所述量测控制电路使用所述参考传感器来补偿工艺、电压和温度依赖性；以及

基于由所述多个传感器中的每一者执行的测量，提供一个或多个系统参数的指示给所述量测控制电路。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个传感器中的每一者包括第一环形振荡器和第二环形振荡器，每个环形振荡器被耦合以接收由所述多个功能电路块中的其对应一者中的所述功能电路接收的所述局部供电电压，并且其中所述方法还包括用相应的唯一多项式来表征所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器中的每一者。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

通过指示作为电压和温度的函数的相应输出频率的唯一多项式来初始表征第一环形振荡器和第二环形振荡器中的每一者；

将所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器中的每一者的频率、电压和温度的值映射到表面；

针对多个电压和温度值，执行由所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器中的每一者输出的频率的测量；以及

使用表面拟合技术更新所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器中的每一者的所述唯一多项式。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器中的至少一者使用多个串联耦合的与非门来实现，并且其中所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器中的至少一者使用多个串联耦合的反相器来实现。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：

所述第一环形振荡器触发第一计数器；

所述第二环形振荡器触发第二计数器；

基于由所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器产生的相应计数来确定所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器的输出频率；以及

通过使用表征所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器的相应的唯一多项式以及由所述第一计数器和所述第二计数器指示的相应频率求解电压和温度来确定由所述传感器指示的电压和温度。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括：

在所述集成电路的测试期间，在自动测试设备(ATE)上执行所述多个传感器中的每一者的初始校准；

在所述集成电路的操作期间执行所述多个传感器中的每一者的后续校准。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括使用分段线性技术来校准所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器中的每一者。

17.根据权利要求10所述的方法，还包括控制电路使用递归最小二乘算法校准所述多个传感器。

18.根据权利要求10所述的方法，其中所述集成电路的所述功能电路块包括一个或多个处理器内核和图形处理单元，并且其中所述方法还包括：

使用在其中实现的所述多个传感器中的一者或多者来确定所述一个或多个处理器内核中的一者的当前电压和温度；以及

使用在其中实现的所述多个传感器中的一者或多者来确定所述图形处理单元的当前电压和温度。

19.一种包括多个传感器的设备，所述设备包括：

量测控制电路，其包括参考传感器；

一个或多个功能电路块，每个功能电路块包括被耦合以接收相应的局部供电电压的功能电路；以及

与所述量测控制电路串联耦合的多个传感器，其中：

所述一个或多个功能电路块中的每一者包括所述多个传感器中的一者或多者；

所述传感器中的每一者包括一个或多个环形振荡器，每个环形振荡器被耦合到包含该传感器的所述功能电路块的相同局部供电电压节点以接收提供给在其对应的功能电路块中实现的所述功能电路的所述相应局部供电电压；

所述多个传感器中的每一者被配置为基于其对应的环形振荡器的振荡频率来确定局部电压和局部温度并将局部电压和局部温度提供给所述量测控制电路；并且

由所述量测控制电路使用所述参考传感器来校准所述多个传感器中的每一者的每个环形振荡器以补偿工艺、电压和温度依赖性。

20.根据权利要求19所述的设备，

其中所述多个传感器中的每一者包括通过第一多项式来表征的第一环形振荡器和通过第二多项式来表征的第二环形振荡器；

其中所述第一环形振荡器使用多个串联耦合的反相器来实现，并且其中所述第二环形振荡器使用多个串联耦合的与非门来实现；

其中所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器耦合到控制电路，所述控制电路被配置为通过基于由所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器产生的频率信息求解电压和温度来确定由所述多个传感器中的对应一者感测的电压和温度；并且

其中所述多个传感器中的每一者包括耦合到其对应的第一环形振荡器的第一计数器和耦合到其对应的第二环形振荡器的第二计数器，其中所述控制电路被配置为分别基于从所述第一计数器和所述第二计数器接收到的计数值来确定由所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器中的每一者输出的频率。