CN112212992B - 一种低功耗低电压数字温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低功耗低电压数字温度传感器，通过第一环形振荡器输出的第一振荡信号与第二环形振荡器输出的第二振荡信号的频率比来获取温度信息，第一环形振荡器额外采用MOS变容管作为负载电容，利用MOS变容管的电压特性，降低了电源电压波动灵敏度，适用于低功耗低电压环境，同时所述低功耗低电压数字温度传感器还具有小尺寸、高度数字化、自参考等优点。

Description

一种低功耗低电压数字温度传感器
技术领域
本发明涉及一种低功耗低电压数字温度传感器，属于集成电路领域。
背景技术
当今，处理器和动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）利用多个片上温度传感器进行热监控。就处理器而言，温度传感器通过监视冷点和热点来帮助保持性能和可靠性。另一方面，DRAM根据芯片当前的温度控制自刷新操作的速率，以节省功耗。由于很难在设计阶段预测热点位置，因此微处理器每核包含多达十个或更多的传感器。在计算需求不断增长的推动下，随着每处理器每年内核数的增加，处理器中温度传感器的数量将继续增加。
因此，迫切需要一种适合集成在处理器和DRAM中的低功耗、低成本的温度传感器。传感器必须包含几个关键功能，以使其适合在处理器中使用。首先，它们必须小巧紧凑，以便可以将其放置在非常靠近热点的地方。设计成使用逻辑电源电压运行的传感器有助于减少与单独的专用电源的布线相关的开销。但是，由于逻辑门的不断切换，逻辑电源非常嘈杂。此外，由于在现代处理器中使用动态电压缩放，其平均电压可能会发生很大变化。因此，传感器必须不受电源电压变化的影响。SoC和处理器还采用动态频率缩放算法，其中开关频率被缩放以权衡功率与性能。动态电压和频率缩放算法的使用会限制温度传感器的设计，使传感器不再依赖于使用外部频率或电源电压作为参考。将温度传感器专用的参考频率、电压和偏置电流遍布整个处理器是一项昂贵的工作。因此，温度传感器必须自参考。最后，温度传感器架构应相对容易设计并使其能移植到不同的过程节点中。
目前，已经提出了几种基于全CMOS的传感器架构来满足上述要求：基于热扩散率的传感器具有较高的精度和较小的面积，但其功耗较高。基于DTMOST的传感器提供高精度、低功耗和低于1 V的工作电压，但占用的面积很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种利用MOS变容管的电压特性的低功耗低电压数字温度传感器。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种低功耗低电压数字温度传感器，包括第一环形振荡器、第二环形振荡器、第一积分器、第二积分器、D触发器和线性优化模块，其中，第一环形振荡器的输出端与第一积分器的输入端相连接；第二环形振荡器输出端与第二积分器的时钟输入端、状态机的时钟输入端、D触发器的时钟输入端相连接；第一积分器的输出端与D触发器的数据输入端相连接；第二积分器的输出端与状态机的数据输入端相连接；状态机的第一输出端与第一积分器的控制端相连接；状态机的第二输出端与第二积分器的控制端相连接；D触发器的数据输出端与线性优化模块的输入端相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一环形振荡器包括N个第一延时单元，N为正奇数，其中，N个第一延时单元依此首尾相连形成闭合回路，最后一个第一延时单元的输出端并作为第一环形振荡器的输出端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第二环形振荡器包括M个第二延时单元，M为正奇数，其中，M个第二延时单元依此首尾相连形成闭合回路，最后一个第二延时单元的输出端并作为第二环形振荡器的输出端。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一延时单元包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1和第一MOM电容CM1，其中，第一PMOS管MP1的栅极与第一NMOS管MN1的栅极相连接，并作为第一延时单元的输入端；第一PMOS管MP1的漏极与第一NMOS管MN1的漏极、第二PMOS管MP2的源级、第二PMOS管MP2的漏极、第二PMOS管MP2的衬底、第一MOM电容CM1的上极板相连接，并作为第一延时单元的输出端；第一PMOS管MP1的源级、第二PMOS管MP2的栅极接电源电压；第一NMOS管MN1的源级、第一MOM电容CM1的下极板接地。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第二延时单元包括第三PMOS管MP3、第二NMOS管MN2和第二MOM电容CM2，其中第三PMOS管MP3的栅极与第二NMOS管MN2的栅极相连接，并作为第二延时单元的输入端；第三PMOS管MP3的漏极与第二NMOS管MN2的漏极、第二MOM电容CM2的上极板相连接，并作为第二延时单元的输出端；第三PMOS管MP3的源级接电源电压；第二NMOS管MN2的源级、第二MOM电容CM2的下极板接地。
本发明所述一种低功耗低电压数字温度传感器采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计低功耗低电压数字温度传感器，通过第一环形振荡器输出的第一振荡信号与第二环形振荡器输出的第二振荡信号的频率比来获取温度信息，两个环形振荡器被设计成具有不同的温度灵敏度，第一积分器、第二积分器分别对第一振荡信号、第二振荡信号的相位进行积分，状态机控制积分器进行复位和冻结操作，第二积分器的积分结果达到阈值时，第一积分器的积分结果被冻结并输出，D触发器以第二振荡信号为时钟采样，获取温度信息，第一环形振荡器额外采用MOS变容管作为负载电容，利用MOS变容管的电压特性，降低了电压波动灵敏度，同时该传感器具有低功耗、小尺寸、高度数字化、自参考等优点。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述低功耗低电压数字温度传感器的主体电路框图；
图2是本发明具体实施方式中所述第一环形振荡器的电路结构示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述第二环形振荡器的电路结构示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述第一项（1-ΔVTH/（VDD-VTH））低电压波动灵敏度的仿真实验图；
图5是本发明具体实施方式中所述第二项CM2/（CM1+CT）低电压波动灵敏度的仿真实验图；
图6是本发明具体实施方式中所述
Figure 843502DEST_PATH_IMAGE001
低电压波动灵敏度的仿真实验图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明所设计的一种低功耗低电压数字温度传感器，包括第一环形振荡器、第二环形振荡器、第一积分器、第二积分器、D触发器和线性优化模块，其中，第一环形振荡器的输出端与第一积分器的输入端相连接；第二环形振荡器输出端与第二积分器的时钟输入端、状态机的时钟输入端、D触发器的时钟输入端相连接；第一积分器的输出端与D触发器的数据输入端相连接；第二积分器的输出端与状态机的数据输入端相连接；状态机的第一输出端与第一积分器的控制端相连接；状态机的第二输出端与第二积分器的控制端相连接；D触发器的数据输出端与线性优化模块的输入端相连接。
如图2所示，所述第一环形振荡器包括N个第一延时单元，N为正奇数，其中，N个第一延时单元依此首尾相连形成闭合回路，最后一个第一延时单元的输出端并作为第一环形振荡器的输出端。
本发明所设计低功耗低电压数字温度传感器在实际的应用过程当中，针对第一延时单元进行了具体设计，如图2所示，所述第一延时单元包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1和第一MOM电容CM1，其中，第一PMOS管MP1的栅极与第一NMOS管MN1的栅极相连接，并作为第一延时单元的输入端；第一PMOS管MP1的漏极与第一NMOS管MN1的漏极、第二PMOS管MP2的源级、第二PMOS管MP2的漏极、第二PMOS管MP2的衬底、第一MOM电容CM1的上极板相连接，并作为第一延时单元的输出端；第一PMOS管MP1的源级、第二PMOS管MP2的栅极接电源电压；第一NMOS管MN1的源级、第一MOM电容CM1的下极板接地。
如图3所示，所述第二环形振荡器包括M个第二延时单元，M为正奇数，其中，M个第二延时单元依此首尾相连形成闭合回路，最后一个第二延时单元的输出端并作为第二环形振荡器的输出端。
本发明所设计低功耗低电压数字温度传感器在实际的应用过程当中，针对第二延时单元进行了具体设计，如图3所示，所述第二延时单元包括第三PMOS管MP3、第二NMOS管MN2和第二MOM电容CM2，其中第三PMOS管MP3的栅极与第二NMOS管MN2的栅极相连接，并作为第二延时单元的输入端；第三PMOS管MP3的漏极与第二NMOS管MN2的漏极、第二MOM电容CM2的上极板相连接，并作为第二延时单元的输出端；第三PMOS管MP3的源级接电源电压；第二NMOS管MN2的源级、第二MOM电容CM2的下极板接地。
第一振荡信号与第二振荡信号频率比FRO1/FRO2的一阶方程可以写成：
Figure 698326DEST_PATH_IMAGE002
，
其中， VTH1和VTH2是第一环形振荡器和第二环形振荡器中MOS管的阈值电压，CT是第二PMOS管MP2的等效电容，α是α幂定律模型，α≈1，由于第一环形振荡器的阈值电压VTH1被设计成比第二环形振荡器的阈值电压VTH2大ΔVTH，上式可以简化为：
Figure 9221DEST_PATH_IMAGE001
，
该式由两项组成，如图4所示，显示第一项（1-ΔVTH/（VDD-VTH））对电源电压有正灵敏度，第二项为CM2/（CM1+CT）；在本发明中，第一环形振荡器额外采用了MOS变容管作为负载电容，利用了MOS变容容管的电压特性，当VDD增加时，第一MOM电容CM1和第二MOM电容CM2不变，第二PMOS管MP2的等效电容CT变大，如图5所示，第二项CM2/（CM1+CT）对电源电压有负灵敏度。如图6所示，α=1时，第一项与第二项联合的结果即
Figure 831463DEST_PATH_IMAGE001
，使频率比获得了更低的电压波动灵敏度。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种低功耗低电压数字温度传感器，其特征在于：包括第一环形振荡器、第二环形振荡器、第一积分器、第二积分器、D触发器和线性优化模块，其中，第一环形振荡器的输出端与第一积分器的输入端相连接；第二环形振荡器输出端与第二积分器的时钟输入端、状态机的时钟输入端、D触发器的时钟输入端相连接；第一积分器的输出端与D触发器的数据输入端相连接；第二积分器的输出端与状态机的数据输入端相连接；状态机的第一输出端与第一积分器的控制端相连接；状态机的第二输出端与第二积分器的控制端相连接；D触发器的数据输出端与线性优化模块的输入端相连接；所述第一环形振荡器包括N个第一延时单元，N为正奇数，其中，N个第一延时单元依此首尾相连形成闭合回路，最后一个第一延时单元的输出端并作为第一环形振荡器的输出端；所述第一延时单元包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1和第一MOM电容CM1，其中，第一PMOS管MP1的栅极与第一NMOS管MN1的栅极相连接，并作为第一延时单元的输入端；第一PMOS管MP1的漏极与第一NMOS管MN1的漏极、第二PMOS管MP2的源级、第二PMOS管MP2的漏极、第二PMOS管MP2的衬底、第一MOM电容CM1的上极板相连接，并作为第一延时单元的输出端；第一PMOS管MP1的源级、第二PMOS管MP2的栅极接电源电压；第一NMOS管MN1的源级、第一MOM电容CM1的下极板接地。
2.根据权利要求1所述一种低功耗低电压数字温度传感器，其特征在于：所述第二环形振荡器包括M个第二延时单元，M为正奇数，其中，M个第二延时单元依此首尾相连形成闭合回路，最后一个第二延时单元的输出端并作为第二环形振荡器的输出端。
3.根据权利要求2所述一种低功耗低电压数字温度传感器，其特征在于：所述第二延时单元包括第三PMOS管MP3、第二NMOS管MN2和第二MOM电容CM2，其中第三PMOS管MP3的栅极与第二NMOS管MN2的栅极相连接，并作为第二延时单元的输入端；第三PMOS管MP3的漏极与第二NMOS管MN2的漏极、第二MOM电容CM2的上极板相连接，并作为第二延时单元的输出端；第三PMOS管MP3的源级接电源电压；第二NMOS管MN2的源级、第二MOM电容CM2的下极板接地。
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Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2021980011617

Denomination of invention: A low power and low voltage digital temperature sensor

Granted publication date: 20210302

License type: Common License

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