CN113014248A - 一种超小面积温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超小面积温度传感器,包括RC滤波器、二阶积分器、压控振荡器、相位产生器和计数器;其中,RC滤波器的VP输出端与二阶积分器的VP输入端连接,RC滤波器的VN输出端与二阶积分器的VN输入端连接;二阶积分器的输出端连接压控振荡器的输入端;所述压控振荡器的输出端分别连接计数器的输入端、相位产生器的输入端;所述相位产生器的输出端连接RC滤波器、二阶积分器,相位产生器产生三个反馈控制信号,复位信号ΦRST和充放电信号ΦDCHG接入RC滤波器,积分信号ΦINT接入二阶积分器。本发明在保证超小面积的情况下,获得了更优的分辨率FoM,解决了传统FLL中过零检测器和电荷泵引起的噪声和精度问题。
Description
技术领域
本发明属于集成电路领域,具体涉及一种超小面积温度传感器。
背景技术
当今的微处理器和DRAM包含数十亿个工作在千兆赫兹时钟速度的晶体管。由于这种大芯片的自发热会严重降低其性能,因此热管理是关键的设计考虑因素。片上温度传感器提供有关热梯度和热点的局部温度信息,从而防止过热并提高可靠性。由于在设计阶段很难预测热点的确切位置,因此传感器应尽可能密集地分布。因此,它们面积必须尽可能小(<0.01mm2)而且要同时具有低功耗和高能效。此外,由于它们必须快速地跟踪片上温度变化,因此它们的转换时间应约为1ms或更短。
与BJT同类产品相比,基于电阻器的温度传感器在能效和分辨率方面可以实现卓越的性能。其中,基于Wien-Bridge(WB)和Wheatstone-Bridge(WhB)的体系结构最为流行。他们采用集成电阻作为传感器,并使用高分辨率ΔΣ模数转换器(ADC)读出与温度相关的电压/电流/相移。传感器的高增益结合ΔΣADC的小量化误差,使这些架构在分辨率FoM(20至100fJ·K2)方面是最好的。但是,高分辨率ΔΣADC占用的面积较大(>0.1mm2)。近年来提出了一种基于锁频环(FLL)的读出方案,使用多相滤波器(PPF)作为传感器。与WB滤波器相比,PPF提供更高的频率至相位增益和更大的电压摆幅,从而可以用更简单的过零检测器(ZCD)代替以前工作的同步鉴相器,以解决面积问题和高频时钟要求。虽然大大减小了面积(<0.01mm2),但传统FLL前端电路,特别是过零检测器(ZCD)和电荷泵(CP),极大地限制了噪声和精度性能,从而导致了差的分辨率FoM。
发明内容
发明目的:本发明的目的在于提供一种在保持超小面积的同时,具有出色的分辨率FoM并且不需要高频外部时钟的超小面积温度传感器。
技术方案:本发明包括RC滤波器、二阶积分器、压控振荡器、相位产生器和计数器;其中,所述RC滤波器的VP输出端与二阶积分器的VP输入端连接,RC滤波器的VN输出端与二阶积分器的VN输入端连接;所述二阶积分器的输出端连接压控振荡器的输入端;所述压控振荡器的输出端分别连接计数器的输入端、相位产生器的输入端;所述相位产生器的输出端连接RC滤波器、二阶积分器,相位产生器产生三个反馈控制信号,复位信号ΦRST和充放电信号ΦDCHG接入RC滤波器,积分信号ΦINT接入二阶积分器。
所述RC滤波器的第四可控开关S4一端作为RC滤波器的VN输出端,并与第一电容C1上极板、第一热敏电阻R1一端连接;所述第一热敏电阻R1的另一端接第一可控开关S1一端,第一可控开关S1另一端接电源VDD;所述第三可控开关S3一端作为RC滤波器的VP输出端,并与第二电容C2上极板、第二热敏电阻R2一端连接;所述第二热敏电阻R2另一端连接第二可控开关S2一端,第二可控开关S2的另一端接地。
所述相位产生器产生的复位信号ΦRST控制第三可控开关S3和第四可控开关S4;所述相位产生器产生的充放电信号ΦDCHG控制第一可控开关S1和第二可控开关S2。
所述二阶积分器中第一NMOS晶体管MN1的栅极连接差分电路的VP输入端,第二NMOS晶体管MN2的栅极连接差分电路的VN输入端;所述第一NMOS晶体管MN1的源极与第二NMOS晶体管MN2的源极、第四NMOS晶体管MN4的漏极相连接;所述第一NOS晶体管MN1的漏极与第一PMOS晶体管MP1的漏极和栅极、第二PMOS晶体管MP2的栅极相连接;所述第二NMOS晶体管MN2的漏极与第二PMOS晶体管MP2的漏极、第五可控开关S5的一端连接。
所述相位产生器产生的积分信号ΦINT控制二阶积分器的第五可控开关S5。
所述二阶积分器中第一电流源IB的一端连接电源VDD,第一电流源IB另一端连接第三NMOS晶体管MN3的漏极;所述第三NMOS晶体管MN3的栅极和漏极连接后,再与第四NMOS晶体管MN4的栅极、第五NMOS晶体管MN5的栅极相连接;所述第五NMOS晶体管MN5的漏极与二阶积分器的VCTRL输出端、第一密勒电容CINT的下极板、第三PMOS晶体管MP3的漏极相连接;所述第一密勒电容CINT的上极板与第五可控开关S5的另一端、第三PMOS晶体管MP3的栅极相连接。
所述第一PMOS晶体管MP1的源极、第二PMOS晶体管MP2、第三PMOS晶体管MP3的源极共同接电源VDD;所述第三NMOS晶体管MN3、第四NMOS晶体管MN4、第五NMOS晶体管MN5的源极接地。
所述压控振荡器包括多组结构相同的延迟单元,通过彼此相互串联成环组成。
所述压控振荡器中第一组延迟单元的VOUT输出端连接下一组延迟单元的VIN输入端,最后一组延迟单元的VOUT输出端与第一组延迟单元的VIN输入端、压控振荡器的FOUT输出端相连接。
所述延迟单元包括第六NMOS晶体管MN6、第七NMOS晶体管MN7、第四PMOS晶体管MP4;所述第六NMOS晶体管MN6的栅极、第四PMOS晶体管MP4的栅极与延迟单元的VIN输入端相连接;所述第七NMOS晶体管MN7的栅极、第六NMOS晶体管MN6的漏极、第四PMOS晶体管MP4的漏极与延迟单元的VOUT输出端相连接;所述第七NMOS晶体管MN7的源极和漏极相连接后,与压控振荡器的VCTRL输入端相连接。
有益效果:本发明与现有技术相比,其有益效果在于:采用RC滤波器作为感温元件,以及基于低噪声紧凑型模拟电压域锁频环作为读出电路。利用锁频环(FLL)的原理,将压控振荡器(VCO)的周期锁定为RC时间常数,电阻采用热敏电阻,电容与温度无关,因此使得VCO输出周期(TVCO)与温度成正比,最后通过计数器读出VCO频率,从而获得温度的数字化表示;在保证超小面积的情况下,获得了更优的分辨率FoM,解决了传统FLL中过零检测器(ZCD)和电荷泵(CP)引起的噪声和精度问题。
附图说明
图1为本发明的主体电路框图;
图2为图1中RC滤波器的电路结构示意图;
图3为图1中二阶积分器的电路结构示意图;
图4为图1中压控振荡器的电路结构示意图;
图5为压控振荡器中单个延迟单元的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示,本发明包括RC滤波器、二阶积分器、压控振荡器、相位产生器和计数器。其中,RC滤波器的VP输出端与二阶积分器的VP输入端连接,RC滤波器的VN输出端与二阶积分器的VN输入端连接;二阶积分器的VCTRL输出端连接压控振荡器的VCTRL输入端;压控振荡器的FOUT输出端分别连接计数器的输入端、相位产生器的输入端;相位产生器的输出端连接RC滤波器、二阶积分器,相位产生器产生三个反馈控制信号,复位信号ΦRST和充放电信号ΦDCHG接入RC滤波器,积分信号ΦINT接入二阶积分器;计数器输出端为数字输出DOUT。
如图2所示,RC滤波器包括第一热敏电阻R1、第二热敏电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、第一可控开关S1、第二可控开关S2、第三可控开关S3和第四可控开关S4。其中:第四可控开关S4一端作为RC滤波器的VN输出端,并与第一电容C1的上极板、第一热敏电阻R1的一端相连接;第四可控开关S4的另一端接地;第一电容C1的下极板接地;第一热敏电阻R1的另一端接第一可控开关S1的一端;第一可控开关S1的另一端接电源VDD;第三可控开关S3的一端作为RC滤波器的VP输出端,并与第二电容C2的上极板、第二热敏电阻R2的一端相连接;第三可控开关S3的另一端接电源VDD;第二电容C2的下极板接地;第二热敏电阻R2的另一端接第二可控开关S2的一端;第二可控开关S2的另一端接地。反馈复位信号ΦRST控制第三可控开关S3和第四可控开关S4;反馈充放电信号ΦDCHG;控制第一可控开关S1和第二可控开关S2。
如图3所示,二阶积分器包括第一NMOS晶体管MN1、第二NMOS晶体管MN2、第三NMOS晶体管MN3、第四NMOS晶体管MN4、第五NMOS晶体管MN5、第一PMOS晶体管MP1、第二PMOS晶体管MP2、第三PMOS晶体管MP3、第一密勒电容CINT、第五可控开关S5、第一电流源IB。其中:差分电路的VP输入端接第一NMOS晶体管MN1的栅极;差分电路的VN输入端接第二NMOS晶体管MN2的栅极;第一NMOS晶体管MN1的源极与第二NMOS晶体管MN2的源极、第四NMOS晶体管MN4的漏极相连接;第四NMOS晶体管MN4的源极接地;第一NMOS晶体管的MN1漏极与第一PMOS晶体管MP1的漏极和栅极、第二PMOS晶体管MP2的栅极相连接;第二NMOS晶体管MN2的漏极与第二PMOS晶体管MP2的漏极、第五可控开关S5的一端相连接;第一PMOS晶体管MP1的源极、第二PMOS晶体管MP2的源极共同接电源VDD。
第一电流源IB的一端接电源VDD,另一端接第三NMOS晶体管MN3的漏极;第三NMOS晶体管MN3的源极接地;第三NMOS晶体管MN3的栅极和漏极相连接后,并与第四NMOS晶体管MN4的栅极、第五NMOS晶体管MN5的栅极相连接;第四NMOS晶体管MN4、第五NMOS晶体管MN5的源极接地;第五NMOS晶体管MN5的漏极与二阶积分器的VCTRL输出端、第一密勒电容CINT的下极板、第三PMOS晶体管MP3的漏极相连接;第一密勒电容CINT的上极板与第五可控开关S5的另一端、第三PMOS晶体管MP3的栅极相连接;第三PMOS晶体管MP3的源极接电源VDD。反馈积分信号ΦINT控制第五可控开关S5。
如图4和图5所示,压控振荡器包括五组结构相同的延迟单元,通过彼此相互串联成环组成。各组延迟单元分别包括第六NMOS晶体管MN6、第七NMOS晶体管MN7、第四PMOS晶体管MP4。第六NMOS晶体管MN6的源极接地;第六NMOS晶体管MN6的栅极、第四PMOS晶体管MP4的栅极与延迟单元的VIN输入端相连接;第四PMOS晶体管MP4的源极接电源VDD;第七NMOS晶体管MN7的栅极、第六NMOS晶体管MN6的漏极、第四PMOS晶体管MP4的漏极与延迟单元的VOUT输出端相连接;第七NMOS晶体管MN7的源极和漏极相连接后,与压控振荡器的VCTRL输入端相连接;第一组延迟单元的VOUT输出端接下一组延迟单元的VIN输入端,最后一组延迟单元的VOUT输出端与第一组延迟单元的VIN输入端、压控振荡器的FOUT输出端相连接。
模拟电压域锁频环,通过复位信号ΦRST,电容C1和C2分别复位为GND和VDD;接着通过充放电信号ΦDCHG,C1和C2分别通过电阻R1和R2充电及放电;若R1=R2=R,C1=C2=C,则充放电结束后,C1和C2两端的电压差可以写成:
通过积分信号ΦINT,VE进行积分,使所得电压VCTRL驱动压控振荡器(VCO)负载端的MOS变容二极管来调节VCO的周期,使其在稳定阶段,VE为零,则TVCO=0.7RC,从而VCO的周期与温度成正比。最后通过计数器读出VCO的频率,获得数字输出。与使用过零检测器(ZCD)和电荷泵(CP)的传统锁频环相比,提出的模拟电压域锁频环具有较低的噪声,有助于显著改善分辨率FoM。
Claims (10)
1.一种超小面积温度传感器,其特征在于:包括RC滤波器、二阶积分器、压控振荡器、相位产生器和计数器;其中,所述RC滤波器的VP输出端与二阶积分器的VP输入端连接,RC滤波器的VN输出端与二阶积分器的VN输入端连接;所述二阶积分器的输出端连接压控振荡器的输入端;所述压控振荡器的输出端分别连接计数器的输入端、相位产生器的输入端;所述相位产生器的输出端连接RC滤波器、二阶积分器,相位产生器产生三个反馈控制信号,复位信号ΦRST和充放电信号ΦDCHG接入RC滤波器,积分信号ΦINT接入二阶积分器。
2.根据权利要求1所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述RC滤波器的第四可控开关S4一端作为RC滤波器的VN输出端,并与第一电容C1上极板、第一热敏电阻R1一端连接;所述第一热敏电阻R1的另一端接第一可控开关S1一端,第一可控开关S1另一端接电源VDD;
所述第三可控开关S3一端作为RC滤波器的VP输出端,并与第二电容C2上极板、第二热敏电阻R2一端连接;所述第二热敏电阻R2另一端连接第二可控开关S2一端,第二可控开关S2的另一端接地。
3.根据权利要求2所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述相位产生器产生的复位信号ΦRST控制第三可控开关S3和第四可控开关S4;所述相位产生器产生的充放电信号ΦDCHG控制第一可控开关S1和第二可控开关S2。
4.根据权利要求1所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述二阶积分器中第一NMOS晶体管MN1的栅极连接差分电路的VP输入端,第二NMOS晶体管MN2的栅极连接差分电路的VN输入端;所述第一NMOS晶体管MN1的源极与第二NMOS晶体管MN2的源极、第四NMOS晶体管MN4的漏极相连接;
所述第一NOS晶体管MN1的漏极与第一PMOS晶体管MP1的漏极和栅极、第二PMOS晶体管MP2的栅极相连接;
所述第二NMOS晶体管MN2的漏极与第二PMOS晶体管MP2的漏极、第五可控开关S5的一端连接。
5.根据权利要求4所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述相位产生器产生的积分信号ΦINT控制二阶积分器的第五可控开关S5。
6.根据权利要求4所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述二阶积分器中第一电流源IB的一端连接电源VDD,第一电流源IB另一端连接第三NMOS晶体管MN3的漏极;所述第三NMOS晶体管MN3的栅极和漏极连接后,再与第四NMOS晶体管MN4的栅极、第五NMOS晶体管MN5的栅极相连接;
所述第五NMOS晶体管MN5的漏极与二阶积分器的VCTRL输出端、第一密勒电容CINT的下极板、第三PMOS晶体管MP3的漏极相连接;
所述第一密勒电容CINT的上极板与第五可控开关S5的另一端、第三PMOS晶体管MP3的栅极相连接。
7.根据权利要求6所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述第一PMOS晶体管MP1的源极、第二PMOS晶体管MP2、第三PMOS晶体管MP3的源极共同接电源VDD;
所述第三NMOS晶体管MN3、第四NMOS晶体管MN4、第五NMOS晶体管MN5的源极接地。
8.根据权利要求1所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述压控振荡器包括多组结构相同的延迟单元,通过彼此相互串联成环组成。
9.根据权利要求8所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述压控振荡器中第一组延迟单元的VOUT输出端连接下一组延迟单元的VIN输入端,最后一组延迟单元的VOUT输出端与第一组延迟单元的VIN输入端、压控振荡器的FOUT输出端相连接。
10.根据权利要求9所述的超小面积温度传感器,其特征在于:所述延迟单元包括第六NMOS晶体管MN6、第七NMOS晶体管MN7、第四PMOS晶体管MP4;所述第六NMOS晶体管MN6的栅极、第四PMOS晶体管MP4的栅极与延迟单元的VIN输入端相连接;
所述第七NMOS晶体管MN7的栅极、第六NMOS晶体管MN6的漏极、第四PMOS晶体管MP4的漏极与延迟单元的VOUT输出端相连接;
所述第七NMOS晶体管MN7的源极和漏极相连接后,与压控振荡器的VCTRL输入端相连接。
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