CN111371433B - 一种可重构的全数字温度传感器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可重构的全数字温度传感器及其应用，可重构的全数字温度传感器包括一个与非门和K个延时单元；与非门包括两个输入端和一个输出端，其中一个输入端用于外接启动控制信号；K个延时单元串联连接，且第一个延时单元的输入端连接到与非门的输出端，最后一个延时单元的输出端连接到与非门的另外一个输入端，形成环形振荡器结构；每个延时单元由n级串联的反相器组成，每级反相器均分别连接有一个PMOS和一个NMOS，以控制该级反相器实现导通、关断；其中，K是大于0的偶数，n是大于1的奇数。本发明还公开了应用上述传感器进行测温、电压测量以及工艺角评估的方法。本发明能在数字供电下正常工作，并能解决电压灵敏度问题。

Description

一种可重构的全数字温度传感器及其应用
技术领域
本发明是关于温度传感器领域，特别涉及一种可重构的全数字温度传感器及其应用。
背景技术
随着CMOS工艺节点进一步缩小，芯片功能越来越复杂，集成度越来越高，随之带来的芯片发热问题也越来越严重。因此在先进工艺下SoC、处理器以及DRAM等设计中片上热管理必不可少。在片上热管理应用中，往往需要在多个位置检测温度，并且放置位置大多在复杂数字模块周边，因此所采用的温度传感器需要具有面积小、抗干扰能力强、成本低的特点。
传统CMOS温度传感器大多采用寄生三极管作为感温器件，能够获得高精度和高线性度，如图1所示，BJT(双极结型晶体管)发射极基准电压VBE与温度线性负相关，两个BJT的发射极基准电压△VBE与温度线性正相关，取参考电压VREF＝VBE+α×△VBE，与温度无关。对图1中两个BJT的发射极基准电压△VBE进行放大，并经过数模转换输出VPTAT与VREF的比值，数值越大则温度也越大(PTAT:proportional to absolutetemperature)，具体可参考图2。该类传统CMOS温度传感器，工作电压往往需要大于1V，并且面积较大、设计复杂，并不适合片上热管理中多点数字集成。因此，研究高精度、小面积、低电压、低成本的全数字温度传感器成为行业热点和难点。
采用电阻做感温器件的温度传感器，可参考图3，该类型的传感器虽然能在低电压下工作，电阻与温度的关系是非线性的，因此还需要额外的电路进行数字拟合，导致设计复杂度增高而且占用片上面积大。
基于热电效应的片上温度传感器，可参考图4，利用热电势和温度的关系来检测的温度，该类型的传感器虽然能在低于1V的电压下工作且占用面积小，但因为需要很大的工作电流，导致存在功耗高、本身发热等问题。
现有的全MOS温度传感器，可参考图5，利用由于MOS管温度特性，将温度转换为延时，该类型的传感器虽然能满足小面积、低电压的要求，但由于MOS工艺参数的非线性，以及电源电压对电路延时的干扰，导致精度不足，另外，现有方案大多还是采用模拟的方法设计，不利于工艺迁移。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能在数字供电下正常工作，并且解决了电压灵敏度问题的新型可重构的全数字温度传感器。
本发明的目的还在于提供上述可重构的全数字温度传感器的应用。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
本发明提供一种可重构的全数字温度传感器，包括一个与非门和K个延时单元；与非门包括两个输入端和一个输出端，其中一个输入端用于外接启动控制信号；K个延时单元串联连接，且第一个延时单元的输入端连接到与非门的输出端，最后一个延时单元的输出端连接到与非门的另外一个输入端，形成环形振荡器结构；每个延时单元由n级串联的反相器组成，每级反相器均分别连接有一个PMOS和一个NMOS，以控制该级反相器实现导通、关断；其中，K是大于0的偶数，n是大于1的奇数。
MOS管漏电(Ioff)和温度(T)成指数关系，具体为：
Figure BDA0001922556510000021
其中，α1、α2对于某一特定芯片是常量。而上述可重构的全数字温度传感器由延时单元构成的新型环形振荡器结构构成，因为MOS管漏电流(Ioff)和温度成指数关系，而在环形振荡器中漏电流与输出频率也成指数关系，因此根据公式可以导出输出频率到温度的指数关系，能够使用频率来检测温度并实现数字输出。
作为进一步的改进，n级串联的反相器中，前一级反相器的输出端与后一级反相器
的输入端相连；
设第i级反相器连接的PMOS、NMOS为MPi、MNi，则：MNi的源极均接地，MNi的漏极分别连接至第i级的反相器，MNi的栅极分别连接VNi信号线；MPi的漏极分别连接至第i级的反相器，MPi的源极均连接到电源(高电位)，MPi的栅极分别连接VPi信号线，MPi的衬底均连接到VPB信号线；
其中，i是整数且取值范围满足∈[1，n]。
在上述可重构的全数字温度传感器中，反相器个数越多，则进行温度测量的精度越高，但是势必也会增加测量时间。故，针对具体的使用场景，可根据需求决定可重构的全数字温度传感器中反相器的个数。
作为进一步的改进，所述可重构的全数字温度传感器中串联的延时单元，是反相器级数相同的延时单元。即所有延时单元中的反相器级数数量相同。
作为进一步的改进，所有延时单元中，级数相同的NMOS栅极连接到同一根信号线进行控制，级数相同的PMOS栅极连接到同一根信号线进行控制，即，对于i相同的所有VNi信号线采用同一根信号线，对于i相同的所有VPi信号线采用同一根信号线。
本发明还提供一种应用上述可重构的全数字温度传感器进行测温的方法。有利于对传感器电路的重构，以及使每个延时单元的延时相同，利于测温的稳定性。
该方法包括控制所述可重构的全数字温度传感器在P型模式或N模式下，利用可重构的全数字温度传感器的输出频率计算获得温度值；所述P型模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制每个延时单元的NMOS全部导通，并控制每个延时单元的其中一个PMOS关断，其余PMOS导通，使与关断的PMOS相连的反相器工作在漏电状态；所述N型模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制每个延时单元的PMOS全部导通，并控制每个延时单元的其中一个NMOS关断，其余NMOS导通，使与关断的NMOS相连的反相器工作在漏电状态。
上述可重构的全数字温度传感器进行测温的原理，采用在P型模式下的测温原理来进行说明，具体：根据测量需求，在可重构的全数字温度传感器的每个延时单元中，控制NMOS全部导通，并控制一个PMOS关断，其余PMOS导通。除与关断的PMOS相连的反相器外，其余所有反相器正常工作。在功能上，正常工作的反相器相当于普通的缓冲器(buffer)；而与关断的PMOS相连的反相器，因为PMOS未导通工作在漏电状态下。此时，在该延时单元的输入端施加高电平到低电平的跳变，对于和关断的PMOS相连的反相器，其输出低电平逐渐充电直至达到下一级反相器的阈值电压，下一级反相器才会输出翻转，若再下一级还是正常工作的反相器，则继续输出整形。
由此可见，在延时单元中，哪一级工作在漏电状态，则该延时单元的延时主要由该级决定。多个延时单元构成环形振荡器，则输出频率也由每级的漏电决定。由于漏电和和温度的强相关性，从而输出频率也相应和温度强相关，因此，能够利用环形振荡器的输出频率来检测温度变化。
可重构的全数字温度传感器在N型模式下的测温方法，其测量原理也与上述P型模式的原理类似，故不再赘述。
作为进一步的改进，所有延时单元中，工作在漏电状态的反相器级数相同。
作为进一步的改进，所述可重构的测温方法，能对温度测量进行数字校准，具体方法为：控制所述可重构的全数字温度传感器在电压模式下，利用可重构的全数字温度传感器的输出频率计算获得供电电压值，再利用该电压值进行温度测量数字校准；
所述电压模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制所有延时单元中的PMOS和NMOS全部导通。
单个延时单元的延时主要取决于工作在漏电状态的级的延时，而工作在漏电状态的级的延时主要取决于漏电以及后一级的翻转阈值。由于随着供电电压增大，反相器阈值随之增大，同时漏电也相应增大，两者相互抵消，实现输出频率电压灵敏度降低。为了进一步降低电压波动的影响，将单个延时单元重构为普通N级反相器模式，即所有PMOS和NMOS全部导通，也即是电压模式。此时，延时单元对供电电压的灵敏度远大于温度的灵敏度，构成的环形振荡器输出频率和供电电压近似线性相关。因此电压模式下可以用来测量具体供电电压，再将电压测量结果用于P型或者N型模式下温度测量数字校准，从而提高温度测量的准确度。
作为进一步的改进，控制所述可重构的全数字温度传感器在P型模式下进行测温，具体包括下述步骤：
步骤P1)：对可重构的全数字温度传感器中的每个延时单元，控制NMOS全部导通，并控制PMOS中的MPi关断，其余PMOS打开；然后利用可重构的全数字温度传感器测得温度值TPi；
步骤P2)：遍历i的取值，重复步骤P1)，分别获取对应的温度值TPi，i是整数且取值范围满足∈[1，n]；
步骤P3)：将测得的温度值TPi取平均值，作为本次的测温结果。
上述在P型模式下的具体测温方法，进行了工艺对抗控制，利用可重构的全数字温度传感器能够重构为各级PMOS管漏电工作，并多次测量取均值，以抵消单个PMOS的工艺偏差，从而实现更精确的测量。
作为进一步的改进，控制所述可重构的全数字温度传感器在N型模式下进行测温，具体包括下述步骤：
步骤N1)：对可重构的全数字温度传感器中的每个延时单元，控制PMOS全部导通，并控制NMOS中的MNi关断，其余NMOS打开；然后利用可重构的全数字温度传感器测得温度值TNi；
步骤N2)：遍历i的取值，重复步骤N1)，分别获取对应的温度值TNi，i是整数且取值范围满足∈[1，n]；
步骤N3)：将测得的温度值TPi取平均值，作为本次的测温结果。
上述在N型模式下的具体测温方法，进行了工艺对抗控制，利用可重构的全数字温度传感器能够重构为各级NMOS管漏电工作，并多次测量取均值，以抵消单个NMOS的工艺偏差，从而实现更精确的测量。
本发明还提供一种应用如上所述的可重构的全数字温度传感器进行电压测量的方法，该方法包括，进行电压测量时，控制可重构的全数字温度传感器在电压模式下，利用可重构的全数字温度传感器的输出频率计算获得供电电压值；并能利用可重构的全数字温度传感器的温度测量结果对电压测量进行校准；所述电压模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制所有延时单元中的PMOS和NMOS全部导通。
前述内容中已说明，延时单元对供电电压的灵敏度远大于温度的灵敏度，构成的环形振荡器输出频率和供电电压线性正相关，因此电压模式下可以用来测量具体供电电压。更可以利用P型或者N型的温度测量结果，用于该电压模式下电压测量校准，提高电压测量准确度。
本发明还提供一种应用如上所述的可重构的全数字温度传感器进行工艺角评估的方法，该方法包括，进行工艺角评估时，给定已知电压，控制可重构的全数字温度传感器在电压模式下，通过不同芯片的输出分布评估工艺角；所述电压模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制所有延时单元中的PMOS和NMOS全部导通。
本发明的工作原理：可重构的全数字温度传感器基于MOS管漏电和温度的关系，实现温度到电流的转换；可重构的全数字温度传感器基于环形振荡器结构，实现电流到频率转换，从而实现数字输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明满足在-40℃～125℃温度范围内，利用环形振荡器实现温度-漏电-频率转换，简化设计复杂度并实现高精度(误差小于2℃)。
2、本发明实现在小于1V的数字供电下正常工作，面积小，并且解决电压灵敏度的问题。
3、本发明功耗低，能实现μW级的低功耗要求，减小传感器本身的发热，不存在老化问题。
4、本发明可重构设计，可通过简单数字控制实现不同工作模式，从而减小工艺偏差和电压影响，提高鲁棒性和测温精度，提高了设计可靠性。
5、本发明具有可拓展性，简单重构后，即可应用于工艺监控以及电压监控。
6、本发明基于标准单元库全数字设计，实现了设计通用性，便于先进工艺下不同工艺设计迁移改版。
附图说明
图1为现有技术示意图。
图2为现有技术示意图。
图3为现有技术示意图。
图4为现有技术示意图。
图5为现有技术示意图。
图6为本发明中延时单元的电路图。
图7为本发明可重构的全数字温度传感器的电路示意图。
图8为图7中虚线框部分的局部放大图。
图9为本发明中单个延时单元在P型模式下的工作示意图。
图10为本发明中单个延时单元在P型模式下的工作示意图。
图11为本发明中单个延时单元在P型模式下支持工艺对抗控制的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图7-8所示的一种可重构的全数字温度传感器包括一个与非门和K个延时单元，K是大于0的偶数；与非门包括两个输入端和一个输出端，其中一个输入端用于外接启动控制信号；延时单元串联连接，且第一个延时单元的输入端连接到与非门的输出端，最后一个延时单元的输出端连接到与非门的另外一个输入端，形成环形振荡器结构，基于环形振荡器结构，实现电流到频率转换，从而实现数字输出。
每个延时单元由n级串联的反相器组成，n是大于1的奇数；每级反相器均分别连接有一个PMOS和一个NMOS，以控制该级反相器实现导通、关断。第i级反相器连接的PMOS、NMOS为MPi、MNi，则：MNi的源极均接地，MNi的漏极分别连接至第i级的反相器，MNi的栅极分别连接VNi信号线；MPi的漏极分别连接至第i级的反相器，
MPi的源极均连接到电源(高电位)，MPi的栅极分别连接VPi信号线，MPi的衬底均连接到VPB信号线；其中，i是整数且取值范围满足∈[1，n]。下面采用三级反相器的延时单元，来进行具体说明。
如图6所示，环形振荡器中单个延时单元采用三级反相器，每级反相器均串联有一个PMOS和一个NMOS，且前一级反相器的输出端与后一级反相器的输入端相连。设第一级反相器串联MN1和MP1，第二级反相器串联MN2和MP2，第三级反相器串联MN3和MP3，则：
MN1、MN2和MN3的源极均接地，MN1、MN2和MN3的漏极分别连接到其所在级的反相器等效地，MN1、MN2、MN3的栅极分别连接至VN1信号线、VN2信号线、VN3信号线；MP1、MP2和MP3的漏极分别连接到其所在级的反相器等效地，MP1、MP2和MP3的源极均连接到电源(高电位)，MP1、MP2、MP3的栅极分别连接至VP1信号线、VP2信号线、VP3信号线，MP1、MP2和MP3的衬底均连接到VPB信号线。
所述可重构的全数字温度传感器中串联的延时单元，是反相器级数相同的延时单元。且所有延时单元中，级数相同的NMOS栅极连接到同一根信号线进行控制，级数相同的PMOS栅极连接到同一根信号线进行控制，即，对于级数i相同的所有VNi信号线采用同一根信号线，对于反相器级数i相同的所有VPi信号线采用同一根信号线，减少控制位，方便控制。
该种可重构的全数字温度传感器可以工作在三种模式下：P型模式、N型模式和电压模式；其中，P型模式和N型模式用于测温，电压模式可用于测温功能下进行校准，也可以单独用于电压测量或者工艺角评估。下面对三种模式进行一一说明。
P型模式：如图9、图10所示，单个延时单元数字控制状态如下，全部控制NMOS导通，其中每个延时单元中第一级的PMOS关断，后面两级PMOS打开。功能上，第二级第三级工作为普通buffer。若在输入端施加高电平到低电平的跳变，则第一级反相器在PMOS的漏电作用下，输出从低电平GND逐渐充电，直到到达第二级反相器的阈值，第二级反相器输出翻转，第三级反相器进一步输出。
除了实现上述温度测量功能外，该种可重构的全数字温度传感器还支持工艺对抗控制。如图11所示，以工作在P型模式为例，每个延时单元还可以分别重构为第二级、第三级为漏电工作，分别进行温度测量并将测量结果取平均，从而抵消单个MOS的工艺偏差。
N型模式：单个延时单元数字控制状态如下，全部控制PMOS导通，其中每个延时单元中第一级的NMOS关断，后面两级NMOS打开。功能上，第二级第三级工作为普通buffer功能。工作原理和P型模式类似，此时单个延时单元的延时主要取决于第一级的NMOS漏电。构成的环形振荡器的频率也相应由NMOS的漏电决定。
类似的，工作在N型模式下，也可以重构为第二级第三级NMOS漏电占主导，三次测量取平均，减小工艺偏差，不再赘述。
电压模式：将单个延时单元重构为普通三级反相器模式，即所有PMOS和NMOS全部导通。此时，延时单元对供电电压的灵敏度远大于温度的灵敏度，构成的环形振荡器输出频率和供电电压线性正相关。因此该模式下可以用来测量具体供电电压，P型或者N型的温度测量结果可用于该模式下电压测量校准，提高电压测量准确度。进一步可将电压测量结果用于P型或者N型模式下温度测量数字校准，从而提高温度测量的准确度。在该模式下，还可拓展到工艺角(corner)评估，给定已知电压，控制可重构的全数字温度传感器在电压模式下，通过不同芯片的输出分布评估工艺角。工艺角评估中，完全不用测温特性使用环形振荡器测试电压，评估工艺角的电压特性。
上述方案中，所用到的模块均可以在标准数字单元中找到，包括普通反相器(INV)，与非门(NAND)，电源门控(Power gating)用的PMOS(Header)，电源门控(Powergating)用的NMOS(footer)，从而支持全数字设计，大大简化设计复杂度。对于环形振荡器输出频率测量，也只需要参考时钟以及计数器即可实现，并且对于多点温度监控，多个温度传感模块可以公用频率测量电路，从而进一步减小面积。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可重构的全数字温度传感器，其特征在于，包括一个与非门和K个延时单元；与非门包括两个输入端和一个输出端，其中一个输入端用于外接启动控制信号；K个延时单元串联，第一个延时单元的输入端连接到与非门的输出端，最后一个延时单元的输出端连接到与非门的另外一个输入端，形成环形振荡器结构；
每个延时单元由n级串联的反相器组成，每级反相器均分别连接有一个PMOS和一个NMOS以控制该级反相器实现开通、关断；
其中，K是大于0的偶数，n是大于1的奇数；
n级串联的反相器中，前一级反相器的输出端与后一级反相器的输入端相连；
设与第i级反相器连接的PMOS、NMOS为MPi、MNi，则：MNi的源极接地，MNi的漏极分别连接至第i级的反相器，MNi的栅极分别连接VNi信号线；MPi的漏极分别连接至第i级的反相器，MPi的源极均连接到电源(高电位)，MPi的栅极分别连接VPi信号线，MPi的衬底均连接到VPB信号线；
其中，i是整数且取值范围满足∈[1，n]。
2.根据权利要求1所述的一种可重构的全数字温度传感器，其特征在于，所述可重构的全数字温度传感器中串联的延时单元，是反相器级数相同的延时单元。
3.根据权利要求2所述的一种可重构的全数字温度传感器，其特征在于，所有延时单元中，级数相同的NMOS栅极连接到同一根信号线进行控制，级数相同的PMOS栅极连接到同一根信号线进行控制，即，对于i相同的所有VNi信号线采用同一根信号线，对于i相同的所有VPi信号线采用同一根信号线。
4.应用如权利要求1-3中任一项所述的可重构的全数字温度传感器进行测温的方法，其特征在于，包括：控制所述可重构的全数字温度传感器在P型模式或N型模式下，利用可重构的全数字温度传感器的输出频率计算获得温度值；
所述P型模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制每个延时单元的NMOS全部导通，并控制每个延时单元的其中一个PMOS关断，其余PMOS导通，使与关断的PMOS相连的反相器工作在漏电状态；
所述N型模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制每个延时单元的PMOS全部导通，并控制每个延时单元的其中一个NMOS关断，其余NMOS导通，使与关断的NMOS相连的反相器工作在漏电状态。
5.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于，所有延时单元中，工作在漏电状态的反相器级数相同。
6.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于，对温度测量进行数字校准：控制所述可重构的全数字温度传感器在电压模式下，利用可重构的全数字温度传感器的输出频率计算获得供电电压值，再利用该电压值进行温度测量数字校准；
所述电压模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制所有延时单元中的PMOS和NMOS全部导通。
7.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于，所述控制所述可重构的全数字温度传感器在P型模式下进行测温，具体包括下述步骤：
步骤P1)：对可重构的全数字温度传感器中的每个延时单元，控制NMOS全部导通，并控制PMOS中的MPi关断，其余PMOS打开；然后利用可重构的全数字温度传感器测得温度值TPi；
步骤P2)：遍历i的取值，重复步骤P1)，分别获取对应的温度值TPi，i是整数且取值范围满足∈[1，n]；
步骤P3)：将测得的温度值TPi取平均值，作为本次的测温结果。
8.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于，所述控制所述可重构的全数字温度传感器在N型模式下进行测温，具体包括下述步骤：
步骤N1)：对可重构的全数字温度传感器中的每个延时单元，控制PMOS全部导通，并控制NMOS中的MNi关断，其余NMOS打开；然后利用可重构的全数字温度传感器测得温度值TNi；
步骤N2)：遍历i的取值，重复步骤N1)，分别获取对应的温度值TNi，i是整数且取值范围满足∈[1，n]；
步骤N3)：将测得的温度值TPi取平均值，作为本次的测温结果。
9.应用如权利要求1-3中任一项所述的可重构的全数字温度传感器进行电压测量的方法，其特征在于，进行电压测量时，控制可重构的全数字温度传感器在电压模式下，利用可重构的全数字温度传感器的输出频率计算获得供电电压值；并能利用可重构的全数字温度传感器的温度测量结果对电压测量进行校准；
所述电压模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制所有延时单元中的PMOS和NMOS全部导通。
10.应用如权利要求1-3中任一项所述的可重构的全数字温度传感器进行工艺角评估的方法，其特征在于，进行工艺角评估时，控制可重构的全数字温度传感器在电压模式下，通过不同芯片的输出分布评估工艺角；
所述电压模式是指：在可重构的全数字温度传感器中，控制所有延时单元中的PMOS和NMOS全部导通。
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