CN110954244A

CN110954244A - 一种温度测量装置

Info

Publication number: CN110954244A
Application number: CN201811128574.1A
Authority: CN
Inventors: 王海永; 陈岚
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: CN110954244B

Abstract

本发明提供一种温度测量装置，在芯片上设置有两个区域，第二区域用于放置温感器件组，第一区域用于放置其他的器件，温感器件组中的温感器件是以逐渐远离第一区域的方式排布的，在测量温度时，获得某一时刻时温感器件组中的各温感器件的电参数，该电参数为温度敏感的电参数，通过电参数与温度之间的关系，可以获得该电参数对应的测量温度值，该测量温度值体现了各温感器件所在位置的温度，由于温感器件组中的各温感器件是以逐渐远离第一区域的方式排布的，越是远离第一区域的温感器件受芯片自身温度的影响越小，越是接近于芯片所在环境的温度，通过逼近算法，获得的逼近温度，即为不受芯片自身温度影响的环境温度。

Description

一种温度测量装置

技术领域

本发明涉及温度测量领域，尤其涉及一种温度测量装置。

背景技术

半导体器件的温度测量装置，是利用半导体PN结实现温度测量，其原理是利用半导体PN结的结电压随温度单调变化，进而通过测量结电压来获得温度值。

而随着集成电路技术以及物联网技术的不断发展，对温度测量也提出了更高的要求，希望能在应用芯片中同时集成温度测量功能，也就是说，在一个芯片中同时集成应用系统以及温度测量装置，例如在MCU芯片中集成温度测量装置，这样，可以达到节省空间、能耗和成本等目的。为了便于描述，在本申请中，将这种集成于其他应用芯片中的温度测量装置记做在片温度测量装置。

然而，参考图1所示，为在片温度测量装置TS的结构示意图，温度测量装置Z设置在芯片C中，在实际应用中，芯片C被封装于封装体P中，由于芯片C工作时本身也会发热，使得芯片C自身存在温度T1，芯片C所处的环境温度为T2，当需要测量芯片C所处的环境温度时，由于热传导的存在，通过在片温度测量装置获得的温度值为T_TS，该温度值T_TS为介于芯片自身温度T1和实际环境温度T2之间的温度值。这样，在片温度测量装置测量的环境温度值并不能精确的反应实际环境温度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种温度测量装置。提高在片温度测量装置对环境温度测量的精度。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种温度测量装置，所述温度测量装置设置于芯片中，所述芯片具有第一区域和第二区域，所述装置包括：驱动单元、第一温感器件、温感器件组、第三温感器件和处理单元，所述温感器件组中包括多个第二温感器件；

所述第一区域用于设置所述温感器件组之外的其他器件，所述第二区域仅用于设置所述温感器件组，所述温感器件组中的各第二温感器件以逐渐远离所述第一区域的方式排布；

所述驱动单元用于分别为所述第一温感器件、第三温感器件以及所述温感器件组中的各第二温感器件提供驱动偏置，在所述驱动偏置下，随着温度的变化所述第一温感器件、第三温感器件以及所述温感器件组中的各第二温感器件具有可变的电参数；

所述处理单元，用于获得所述驱动偏置下所述第一温感器件和所述第三温感器件的电参数，并将所述第三温感器件的电参数与所述第一温感器件的电参数进行差分放大，以获得第一放大电参数，并根据所述第一放大电参数，获得所述第一、三温感器件所在位置处的第一测量温度值，所述第一测量温度值为芯片的在片测量温度；以及

还用于获得所述驱动偏置下所述温感器件组中的各第二温感器件的电参数，并以所述驱动偏置下的所述第一温感器件的电参数为参考输入，获得所述温感器件组中的各第二温感器件的电参数相对于所述第一温感器件的电参数进行差分放大后的与所述温感器件组中的各第二温感器件对应的各第二放大电参数，并根据所述各第二放大电参数，获得所述温感器件组中的各第二温感器件所在位置处的各第二测量温度值，并通过第一测量温度值和获得的所述的各第二测量温度值进行计算，以获得所述芯片的环境测量温度。

可选地，所述第一、三温感器件设置于所述第一区域且相邻排布，所述第一温感器件的尺寸小于所述第三温感器件的尺寸。

可选地，所述第一温感器件和所述第二温感器件、第三温感器件为双极晶体管或二极管或其它场效应晶体管。

可选地，所述第一温感器件和所述温感器件组中各第二温感器件、所述第三温感器件为双极晶体管，所述第一温感器件和所述第三温感器件具有不同的发射极面积；所述各第二温感器件具有相同的发射极面积，且所述各第二温感器件的发射极面积等于所述第一温感器件的发射极面积。

可选地，所述驱动单元为电流源单元，所述电流源单元分别为所述第一温感器件、第三温感器件以及所述各第二温感器件提供相同的偏置电流；所述电参数为结电压。

可选地，所述电流源单元为镜像电流源，由各镜像电流分别为所述第一温感器件、第三温感器件以及所述各第二温感器件提供相同的偏置电流。

可选地，所述第二区域为一个或多个，所述第二区域位于所述第一区域的侧向区域，且所述各第二温感器件沿远离所述侧向区域延伸方向排布；或者，所述第二区域位于所述第一区域的对角区域，且所述各第二温感器件沿远离所述对角区域延伸方向排布。

可选地，所述温感器件组中的各第二双极晶体管等间距设置或按照设定的间距设置。

可选地，所述处理单元包括多路选择器单元、放大器单元、模数转换单元以及控制单元，其中，

所述多路选择器单元，用于根据控制单元的通路选择信号，分别输出所述偏置电流下第三温感器件以及所述各第二温感器件的结电压；

放大器单元，用于以所述偏置电流下所述第一温感器件的结电压为参考电压，与所述第三温感器件的结电压进行差分放大，以获得第一放大结电压；以及与所述各第二温感器件的结电压进行差分放大，以获得对应的各第二放大结电压；

模数转换单元，用于将所述第一放大结电压和所述各第二放大结电压分别转换为第一电压量化值、各第二电压量化值；

控制单元，用于通过所述第一电压量化值，获得所述第一、三温感器件所在位置处的第一测量温度值；以及通过所述各第二电压量化值，获得所述各第二温感器件所在位置处的各第二测量温度值，并通过所述第一测量温度值和获得的各第二测量温度值进行计算，以获得所述芯片的环境测量温度。

可选地，所述控制单元还用于向所述放大器单元输出增益控制信号，所述放大器单元根据所述增益控制信号，调整放大器单元的增益。

本发明实施例提供的温度测量装置，在芯片上设置有两个区域，第二区域用于放置温感器件组，第一区域用于放置其他的器件，温感器件组中的温感器件是以逐渐远离第一区域的方式排布的，在测量温度时，获得某一时刻时温感器件组中的各温感器件的电参数，该电参数为温度敏感的电参数，通过电参数与温度之间的关系，可以获得该电参数对应的测量温度值，该测量温度值体现了各温感器件所在位置的温度，由于温感器件组中的各温感器件是以逐渐远离第一区域的方式排布的，越是远离第一区域的温感器件受芯片自身温度的影响越小，越是接近于芯片所在环境的温度，通过逼近算法，获得的逼近温度，即为不受芯片自身温度影响的环境温度。通过该温度测量装置，实现在片温度测量装置对环境温度的测量，且测量结果不受芯片自身温度的影响，有效提高环境温度测量的精度，同时，提高芯片集成度，降低系统实现成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了在片温度测量装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的温度测量装置的电路结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的温度测量装置所在芯片的布局结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的温度测量装置的处理单元的结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的温度测量装置中温感器件组中器件所在位置温度的分布特性示意图；

图6示出了根据本发明实施例的温度测量装置温度测量流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术中的描述，当在应用芯片中集成温度测量装置时，由于芯片自身工作而发热，当利用在片温度测量装置进行芯片所在环境的温度测量时，受自身发热温度的影响，所测量的环境温度值并不能精确的反应实际环境温度。

为此，本申请提出了一种温度测量装置，参考图2和图3所示，所述温度测量装置设置于芯片中，所述芯片具有第一区域B1和第二区域(B2、B3…B9的全部或其中的某几个)，所述装置包括：驱动单元10、第一温感器件QG0、温感器件组12和处理单元14，所述温感器件组12中包括多个第二温感器件Q(i)，i为从1至m的正整数，m≥2；进一步地，还可以包括第三温感器件Q(0)。

优选地，第一温感器件QG0、第三温感器件Q(0)和温感器件组中各第二温感器件Q(i)为相同类型的温感器件，第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)的尺寸不同，温感器件组中各第二温感器件Q(i)为相同尺寸的温感器件，且与第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)中最小尺寸的温感器件的尺寸相同。

优选地，第一温感器件QG0的尺寸小于第三温感器件Q(0)的尺寸。也即，温感器件组中各第二温感器件Q(i)的尺寸与第一温感器件QG0的尺寸相同。

所述第一区域B1用于设置所述温感器件组12之外的其他器件，所述第二区域仅用于设置所述温感器件组12，所述温感器件组12中的各温感器件Q(i)以逐渐远离所述第一区域B1的方式排布；也就是说，第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)设置于第一区域。第一区域通常为芯片的应用系统所在位置的区域，第二区域为第一区域之外的其他区域，可以是一个或多个区域。

所述驱动单元10用于分别为所述第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)以及所述温感器件组中各第二温感器件Q(i)提供驱动偏置，在所述驱动偏置下，随着温度的变化所述第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)以及所述温感器件组中各第二温感器件Q(i)具有随温度变化的电参数；

所述处理单元14，用于获得所述驱动偏置下第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)的电参数，并对这两个电参数进行差分放大，获得第一放大电参数，根据所述第一放大电参数，通过计算获得第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)所在位置处的第一测量温度值。该第一测量温度值为第一区域所在位置的温度，也即芯片本身的测量温度，或称为在片测量温度。

所述处理单元14，还用于获得所述驱动偏置下所述温感器件组中各第二温感器件Q(i)的电参数，并以所述驱动偏置下的所述第一温感器件QG0的电参数和所述温感器件组中各第二温感器件Q(i)的电参数分别进行差分放大，获得与所述温感器件组中各第二温感器件Q(i)对应的各第二放大电参数，通过计算获得所述温感器件组中各第二温感器件Q(i)所在位置处的各第二测量温度值，进一步通过算法获得所述芯片的环境测量温度，这里，i从1至m，m为大于等于2的正整数，也即各第二温感器件Q(i)对应的各第二放大电参数组成一个放大电参数数组，相应地，各第二温感器件Q(i)对应的各第二测量温度值也组成一个数组。通过算法，例如逼近算法等，可由第一测量温度值和各第二测量温度值组成的数组经过计算获得所述芯片的环境测量温度。

优选地，在相同的驱动偏置下，随着温度的变化这些器件的电参数会随之变化，这些器件例如可以为二极管、双极晶体管或场效应晶体管(MOS)等，根据不同的器件，随温度变化的电参数例如为电压、电流或电阻等，由于温感器件的电参数随温度变化的特性，通过测量电参数，可以获得与电参数相应的温度值，从而达到测温的目的。

驱动单元向第一温感器件QG0、第三温感器件Q(0)和各第二温感器件Q(i)提供驱动偏置，以使得这些器件处于工作状态，根据不同的器件特性，驱动偏置可以为电流偏置或电压偏置等，可以理解的是，为了获得器件随温度变化的电参数，这些温感器件由驱动单元提供驱动的偏置信号，使得温感器件处于工作状态，以获得器件随温度变化的电参数。

本申请的温度测量装置为在片测量装置，也就是说，该温度测量装置是集成在其他的应用芯片中的，芯片除了温度测量功能，还要实现其他的功能，例如该芯片为集成温度测量装置的处理器芯片等。本申请的温度测量装置不仅可以测量在片的温度值，还可以测量芯片外围的环境温度值。该芯片具有两个区域，分别为第一区域和第二区域，第二区域仅用于设置所述温感器件组中各第二温感器件，第一区域用于设置所述温感器件组中各第二温感器件之外的其他所有器件，包括温度测量装置中除所述温感器件组中各第二温感器件之外的其他器件，以及温度测量装置之外的实现芯片功能的其他所有器件，其中，第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)是设置于第一区域的，更优地，所述第三温感器件与所述第一温感器件相邻排布。同时，温感器件组中各第二温感器件是逐渐远离第一区域的，也就是说，温感器件组中各第二温感器件到第一区域的距离是逐渐增加的。更优地，温感器件组中各第二温感器件为等间距排列，间距的大小可以根据具体的需要来设置。

在具体的应用中，可以根据需要设置一个或多个第二区域，根据具体的需要，参考图3所示，可以将第二区域设置于第一区域的旁侧，可以为一侧或多侧，也可以是包围第一区域B1，位于第一区域的侧向区域B2、B5、B6、B8；也可以是放置于第一区域B1的对角位置上，位于第一区域的对角区域B3、B4、B7、B9；当第二区域位于第一区域的侧向区域时，第二区域中的各第二温感器件沿远离第一区域的侧向区域的延伸方向排布，当第二区域位于第一区域的对角区域时，第二区域中的各第二温感器件沿远离第一区域的对角区域的延伸方向排布，这样，就使得第二区域中的各第二温感器件是以远离第一区域的方式排布的。在实际的应用中，可以根据具体的需要，选择以上一种或多种排布方式。

在本申请实施例中，处理单元用于将获得的与温度相关的电参数进行放大以及进一步计算，从而获得精确的在片测量温度和环境测量温度。具体的，处理单元中，获得第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)的电参数，经差分放大后，获得第一放大电参数，由于该电参数与温度相关，通过第一放大电参数可以获得第一温感器件和第三温感器件所在位置处的第一测量温度值，也即在片测量温度；同时，处理单元中，获得所述温感器件组中各第二温感器件的电参数，以第一温感器件的电参数和所述温感器件组中各第二温感器件的电参数进行差分放大，获得对应的放大后的各第二放大电参数。由于该放大电参数与温度相关，那么，通过所述的各第二放大电参数和第一测量温度值可以获得所述温感器件组中各第二温感器件所在位置处的各第二测量温度值，所有各第二测量温度值组成一个数组，称为第二测量温度值数组。进而，通过算法(例如逼近算法等)，利用获得的第一测量温度值和第二测量温度值数组进行计算，获得所述芯片所处环境的测量温度值，也即所述芯片的环境测量温度。

在本申请的实施例中，在芯片上设置有两个区域，第二区域用于放置所述温感器件组中各第二温感器件，第一区域用于放置第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)及其他的器件，温感器件组中各第二温感器件是以逐渐远离第一区域的方式排布的，第一温感器件QG0和第三温感器件Q(0)可以是相邻的方式排布的，在测量温度时，获得温感器件组中各第二温感器件的电参数，该电参数为温度敏感的电参数，通过电参数与温度之间的关系，可以获得该电参数对应的测量温度值，该测量温度值体现了各第二温感器件所在位置的温度。由于温感器件组中各第二温感器件是以逐渐远离第一区域的方式排布的，越是远离第一区域的温感器件，受芯片自身温度的影响越小，越是接近于芯片所处环境的温度，通过算法(例如逼近算法)，获得芯片所处位置的环境温度。通过该温度测量装置，实现在片温度测量装置对环境温度的测量，有效提高芯片集成度，降低系统实现成本。

为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合具体的实施例进行详细的描述，在该具体的实施例中，第一温感器件QG0、第三温感器件Q(0)和温感器件组中各第二温感器件Q(i)都为双极晶体管(其中，i为从1至m的正整数，m≥2)，分别记为第一双极晶体管、第三双极晶体管和第二双极晶体管组，且第一双极晶体管QG0的发射极面积小于第三双极晶体管Q(0)的发射极面积；第二双极晶体管组中各双极晶体管具有相同的发射极面积，并且与第一双极晶体管QG0的发射极面积相同，以便于最小化芯片尺寸。此外，驱动单元为电流源单元，分别为第一双极晶体管、第三双极晶体管和第二双极晶体管组中的各第二双极晶体管提供相同的偏置电流，在偏置电流下第一双极晶体管和第三双极晶体管以及第二双极晶体管组被驱动工作，其基极和发射极(BE)结电压会随温度变化而变化，也即随温度变化的电参数为BE结电压，简称结电压。

电流源单元10通过镜像电流源的方式提供偏置电流，在一个具体的示例中，参考图2所示，包括两个PMOS晶体管MG0、MG1以及m个PMOS晶体管M(0)、M(1)、…M(m-1)和M(m)，这些器件为尺寸相同的器件，其源端都连接至电源电压VDD，PMOS晶体管MG0的栅端和漏端连接在一起并连接至偏置电流产生电路CBG的一端，偏置电流产生电路CBG的另一端连接至接地端GND，PMOS晶体管MG1以及m个PMOS晶体管M(0)、M(1)、…M(m-1)和M(m)的栅端都连接至晶体管MG0的栅端，从而形成多个镜像电流源，以分别向第一双极晶体管QG0和第三双极晶体管Q(0)以及各第二双极晶体管Q(1)、Q(2)…Q(m-1)和Q(m)提供相同的偏置电流，其中，m为大于等于2的正整数。

具体的，第一双极晶体管QG0和第三双极晶体管Q(0)以及各第二双极晶体管Q(1)、Q(2)…Q(m-1)和Q(m)都为PNP型双极晶体管，PMOS晶体管MG1以及m个PMOS晶体管M(0)、M(1)、…M(m-1)和M(m)的漏端分别连接第一双极晶体管QG0、第三双极晶体管Q(0)、各第二双极晶体管Q(1)、Q(2)…Q(m-1)和Q(m)的发射极，且所有双极晶体管的基极和集电极接地，双极晶体管的发射极与基极之间的电压为结电压，该结电压会随着温度变化而变化，第一双极晶体管QG0和第三双极晶体管Q(0)、各第二双极晶体管Q(1)、Q(2)…Q(m-1)和Q(m)的发射极与基极之间的结电压，分别记做V_o，V_T(0)，V_T(1)…V_T(m-1)和V_T(m)，这些结电压连接至处理单元14，以进一步进行温度测量值的转换处理。

本实施例中，第一双极晶体管QG0的发射极面积小于第三双极晶体管Q(0)的发射极面积，各第二双极晶体管Q(1)、Q(2)…Q(m-1)和Q(m)的发射极面积与第一双极晶体管QG0的发射极面积相同。

参考图2所示，双极晶体管组12中的排布方式，可以是如图3所示的侧向区域或对角区域的排布方式中的一种或多种。本实施例中，第二区域中的各第二双极晶体管为等间距设置。

本实施例中，参考图4所示，处理单元14包括多路选择器141、放大器单元142、模数转换器143和控制单元144。第三双极晶体管Q(0)、所述温感器件组中各第二双极晶体管的结电压V_T(0)，V_T(1)…V_T(m-1)，V_T(m)连接至多路选择器141的输入端，多路选择器141的控制端连接控制单元144的通路选择信号SEL<0：L>，第一双极晶体管QG0的结电压V_o连接至放大器单元142的正输入端，多路选择器141的输出端V_MUX，j连接至放大器单元142的负输入端。

其中，多路选择器单元141，用于根据控制单元144的通路选择信号SEL<0：L>，分别输出所述偏置电流下所述各双极晶体管的结电压V_T(0)，V_T(1)…V_T(m-1)，V_T(m)。

放大器单元142可以为增益放大器，进一步地还可以为可调增益放大器，放大器单元的正输入端连接第一双极晶体管QG0的结电压V_o，负输入端连接多路选择器141的输出端V_MUX，j，这样，以所述偏置电流下所述第一双极晶体管QG0的结电压为参考电压，与所述第三双极晶体管Q(0)以及所述各第二双极晶体管Q(1)、Q(2)…Q(m-1)和Q(m)的结电压分别进行差分放大，以获得放大结电压V_PG,j。模数转换单元(ADC)143将所述各放大结电压V_PG,j分别量化，输出D_out,j。这里，j＝0,1,2…m，m为大于等于2的正整数。

控制单元144可以为数字信号处理器(DSP)，用于根据量化值D_out,j和各电压值与温度的关系，获得所述各双极晶体管所在位置处的测量温度值，包括芯片的在片温度测量值T_in，并进一步通过算法(例如逼近算法等)获得所述芯片的环境测量温度T_out。

若放大器单元142为可调增益放大器时，可以通过控制单元144提供增益控制信号Ctrl<0:K>，以使得放大器单元根据增益控制信号调整放大器的增益，以便于放大结电压V_PG,j处于模数转换器(ADC)143的合理的量化范围，以获得更准确的电压量化值D_out,j。

在上述实施例中，获得了第三温感器件所在位置处的第一温度测量值，该温度测量值也即芯片的在片温度值，同时，获得了各第二温感器件的各第二温度测量值，各第二温度测量值组成温度值的数组，由于各第二温感器件是相对于第一区域逐渐远离的方式排布的，距离第一区域越远的第二温感器件的温度也将越接近环境温度，也就是说，以第一温度测量值为起始点，各第二温感器件的温度最终趋近于环境温度，这样，通过第一测量温度值和各第二测量温度值组成的温度值数组进行计算，例如逼近运算，则可以获得芯片的环境测量温度。

以上对本实施例的温度测量装置进行了详细的介绍，以下将对测温原理进行详细的描述。

在某一个温度测量时刻t₀，所述第一双极晶体管QG0对应输出结电压V₀，所述第三双极晶体管Q(0)以及所述第二双极晶体管组中各第二双极晶体管Q(1)、Q(2)…Q(m-1)和Q(m)对应输出结电压为V_T(0)，V_T(1)…V_T(m-1)和V_T(m)，并作为多路选择器141的输入，按照控制信号SEL<0:L>，可使得多路选择器141输出对应的信号V_MUX,j(＝V_T(i)，当i＝j时成立)。V₀和V_MUX,j经过放大单元142的差分放大，可以获得所述第一双极晶体管QG0分别与所述第三双极晶体管Q(0)以及所述各第二双极晶体管Q(1)、Q(2)…Q(m-1)和Q(m)经过差分放大后的电压值，记做V_PG,j，其中j＝0,1,2…m，m为正整数，m>1。这里，所述第一双极晶体管QG0与所述第三双极晶体管Q(0)经过差分放大后的电压值记为V_PG,0，所述第一双极晶体管QG0与所述第二双极晶体管Q(1)经过差分放大后的电压值记为V_PG,1，以此类推。

i)对于在片温度的测量，可以通过测量放大结电压V_PG,0获得：

这里，G_PG表示放大器单元的增益值，V_T0，I_C0，I_S和A₀分别为所述第一双极晶体管QG0所处位置的热电压，流过的发电极和基极的电流，单位面积的饱和电流和发射极面积；V_MUX,0，I_MUX,0，I_S,0和A_MUX,0分别为所述第三双极晶体管Q(0)所处位置对应的热电压，流过的发电极和基极的电流，单位面积的饱和电流和发射极面积。

由于所述第一和第三双极晶体管QG0和Q(0)在位置上处于第一区域，且紧紧相邻，温度相同，下列表达式成立：

v_To＝v_TMUX，0 (3)

I_S＝I_S，0 (4)

由于提供的驱动偏置电流相同且所处位置的温度相同，下式成立：

I_Co＝I_MUX，0 (5)

由(1)-(5)式可知，

由于热电压

式(6)可进一步表示为：

其中，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷常数，To为温度值。

在(7)式中，除V_PG,0和T_O外，其它参数都是已知的系统设置参数或常数，所以，如果测量获得V_PG,0的值，就可以计算出所述第一温感器件和所述第三温感器件所在位置的温度值To，也即在片温度测量值T_in(＝To)。

ii)对于芯片环境温度的测量，可以通过进一步测量V_PG,j获得，其中，j＝1,2…m，m为正整数，m>1

其中，G_PG表示放大器单元的增益值，A_MUX,j为各第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)、Q(m)对应的发射极面积，在本实施例中，A_MUX,j的值全部相同，而且与A0的值相同。V_TMUX,j表示分布在不同位置的各第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)、Q(m)所处位置的热电压，I_S,j表示分布在不同位置的各第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)、Q(m)所处位置的单位面积饱和电流。I_MUX,j为各第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)、Q(m)的偏置电流，在本实施例中，考虑到偏置电流产生电路都集中在第一区域，偏置电流的数值相同且所处位置的温度相同，所以，I_MUX,j的值全部相同，且等于I_C0的值。

双极晶体管单位面积饱和电流I_S也是温度相关的，可表示如下：

其中，C，θ和V_g0为常数，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷常数。T为温度。

由上可知，结合式(8)和(9)，可以得到如下表达式：

式(10)中，除了前面已经获得To的值，系统设定的已知值(G_PG)和常数值之外，只有T_MUX,j和V_PG,j两个未知量，通过测量V_PG,j，就可以计算出T_MUX,j。

进一步分析可知，在芯片实际工作温度T范围内，例如，-50℃～150℃(也即223K～423K)的范围内，函数T·lnT与T呈近似线性关系，所以，由式(10)可知，通过选择合适的器件尺寸和偏置电流，可以获得测量的V_PG,j值与T_MUX,j呈近似线性关系。

在具体的应用实现中，由于第二双极晶体管组中各第二双极晶体管之间为等间距分布，可能会由于工艺失调导致二者的发射极面积不相等，但可以通过失调校准消除此效应，而仍实现Ao＝A_MUX,j。

在本实施例中，各第二双极晶体管呈现等间距的分布，在芯片实际工作过程中，由于测量装置自热和芯片所在环境温度的双重作用下，使得各第二双极晶体管器件Q(1)…Q(m-1)、Q(m)所处位置的温度从近至远呈渐近线分布，也就是距离越远的晶体管所在位置的温度受芯片自热的影响越小，越接近于环境温度。由公式(10)可以知道放大结电压V_PG,j与各第二双极晶体管所分布位置的温度呈线性比例关系，因此，放大结电压V_PG,j也将随各第二双极晶体管器件Q(1)…Q(m-1)、Q(m)所处位置的温度一样从近至远呈渐近线分布。可以理解的是，在各第二双极晶体管相对于第一区域的距离为其他分布时，放大结电压V_PG,j呈现的分布会略有不同，但最终都会逐渐逼近某一个固定值。

参考图5所示，其中横轴表示各第二双极晶体管与第一区域的距离，也即第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)和Q(m)所处位置与第一区域之间的距离，纵轴表示温度，也即通过放大结电压V_PG,j测试获得的晶体管Q(0)、Q(1)…Q(m-1)和Q(m)所处位置的温度，其中T0为所述第一双极晶体管和所述第三双极晶体管所在位置的温度，也即芯片的在片测量温度，TH和TL是不同情况下各第二晶体管所在位置的温度逐渐逼近的温度值。

基于图5，以下将分别从环境温度高于芯片自热温度、环境温度等于芯片自热温度和环境温度低于芯片自热温度三中情形进行说明。

当环境温度高于芯片在片温度时，也即To<T_MUX,j，j＝1,2，…m，如图5中的情形A，此时，由于热传导的作用，温度测试装置测试获得温度呈渐近线分布，随着各第二双极晶体管与第一区域距离的增大，测试获得的各第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)和Q(m)所处位置的温度值逐渐增大，并无限接近芯片所处环境的温度。于是，在测试获得各第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)和Q(m)所处位置的温度后，通过算法实现渐近线的逼近，可以获得芯片所处环境的温度TH。

当环境温度等于芯片自热温度时，如图5中的情形B，此时，温度测试装置测得的在片测量温度与芯片所处环境的温度相等，也即To＝T_MUX,j，j＝1,2，…m。那么，在片测量温度就是芯片所处环境的温度T0。

当环境温度低于芯片在片温度时，也即To>T_MUX,j，j＝1,2，…m，如图5中的情形C，此时，由于热传导的作用，温度测试装置测试获得温度就呈渐近线分布，随着各第二双极晶体管与第一区域距离的增大，测试获得的各第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)和Q(m)所处位置的温度值逐渐减小，并无限接近芯片所处环境的温度。于是，在测试获得各第二双极晶体管Q(1)…Q(m-1)和Q(m)所处位置的温度后，通过算法实现渐近线的逼近，可以获得芯片所处环境的温度TL。

从以上分析可以知道，通过本申请实施例的技术方案，实现在片温度测量装置对芯片的在片温度和芯片的环境温度的测量，且测量结果不受芯片自身温度的影响，有效提高环境温度测量的精度，同时，提高芯片集成度，降低系统实现成本。

在具体的应用中，控制单元可以为DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)电路，可以通过以下步骤来完成环境温度的测量，参考图6所示，具体的包括：

S11，通过DSP设置i，通路选择信号SEL<0：L>和增益控制信号Ctrl<0:K>的值。

S12，选通出结电压V_MUX,i。

S13，通过结电压V_MUX,i进行计算，获得放大后的放大结电压V_PG,i。

S14，通过模数转换器ADC将放大结电压V_PG,i进行量化，获得量化后的电压量化值D_OUT,i。

S15，判断放大结电压V_PG,i是否达到模数转换器ADC的合理的量化范围，若是，则进入步骤S17，若否，则进入步骤S11。

S17，将i设置为0。

S18，选通出V_MUX,i；计算V_PG,i；ADC把V_PG,i量化为D_OUT,i并保存在DSP中。

S19，判断i＞m，若是，则进入步骤S21，若否，则进入步骤S20。

S20，i＝i+1，进入步骤S18。

S21，将量化后的电压量化值D_OUT,i通过式(2)和(10)转化为温度值To和T_MUX,i，获得芯片的在片温度值T_in(＝To)。

S22，基于温度值T_MUX,i，通过逼近算法，计算出芯片所处环境的温度值T_out。

本发明描述中的下标i和j只是变量的数字表示，如果某变量中的i＝j，就表示同一个数值，例如，当i＝j时，T_MUX,i就等于T_MUX,j。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种温度测量装置，其特征在于，所述温度测量装置设置于芯片中，所述芯片具有第一区域和第二区域，所述装置包括：驱动单元、第一温感器件、温感器件组、第三温感器件和处理单元，所述温感器件组中包括多个第二温感器件；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一、三温感器件设置于所述第一区域且相邻排布，所述第一温感器件的尺寸小于所述第三温感器件的尺寸。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一温感器件和所述第二温感器件、第三温感器件为双极晶体管或二极管或其它场效应晶体管。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一温感器件和所述温感器件组中各第二温感器件、所述第三温感器件为双极晶体管，所述第一温感器件和所述第三温感器件具有不同的发射极面积；所述各第二温感器件具有相同的发射极面积，且所述各第二温感器件的发射极面积等于所述第一温感器件的发射极面积。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述驱动单元为电流源单元，所述电流源单元分别为所述第一温感器件、第三温感器件以及所述各第二温感器件提供相同的偏置电流；所述电参数为结电压。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电流源单元为镜像电流源，由各镜像电流分别为所述第一温感器件、第三温感器件以及所述各第二温感器件提供相同的偏置电流。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二区域为一个或多个，所述第二区域位于所述第一区域的侧向区域，且所述各第二温感器件沿远离所述侧向区域延伸方向排布；或者，所述第二区域位于所述第一区域的对角区域，且所述各第二温感器件沿远离所述对角区域延伸方向排布。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述温感器件组中的各第二双极晶体管等间距设置或按照设定的间距设置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括多路选择器单元、放大器单元、模数转换单元以及控制单元，其中，

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制单元还用于向所述放大器单元输出增益控制信号，所述放大器单元根据所述增益控制信号，调整放大器单元的增益。