DE102004033357B4

DE102004033357B4 - Schaltung und Verfahren zur Temperatursensierung

Info

Publication number: DE102004033357B4
Application number: DE102004033357A
Authority: DE
Inventors: Kwang-Hyun Kim; Chan-kyung Suwon Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2024-07-03
Also published as: JP4758077B2; DE102004033357A1; US7078955B2; JP2005031077A; KR20050003893A; US20050001670A1; KR100532445B1

Abstract

Temperatursensierungsschaltung zum Sensieren einer Temperatur in einem Halbleiterbaustein mittels eines sukzessiven binären Approximationsalgorithmus, mit
– einer Temperatursensierungseinheit (210), die einen Wärmesensor (220) und einen Komparator (230 umfasst, wobei der Wärmesensor ein zur Temperatur proportionales, erstes Strompegelsignal (PTAT) und ein zur Temperatur umgekehrt proportionales, zweites Strompegelsignal (CTAT) abgibt und der Komparator aus einem Vergleich der beiden Strompegelsignale ein binäres Temperatursignal (TS) abgibt, das anzeigt, ob die Temperatur höher oder niedriger als eine Referenztemperatur (REFT) ist, bei der die beiden Strompegelsignale gleich groß sind,
– einer Speichereinheit (240), die strukturiert ist, um das binäre Temperatursignal aufeinanderfolgender Approximationszyklen zu speichern und ein entsprechendes gespeichertes Temperatursignal (STS) auszugeben, und
– einer Steuereinheit (250), die zum variablen Einstellen der Referenztemperatur in den aufeinanderfolgenden Approximationszyklen strukturiert ist und dazu in Abhängigkeit von dem jeweils momentanen gespeicherten Temperatursignal (STS) ein erstes Stromsteuersignal (CTRLS1) für die Temperatursensierungseinheit zum Verändern des ersten Strompegelsignals (PTAT) und/oder ein...

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Sensieren einer Temperatur in einem Halbleiterbaustein und ein korrespondierendes Temperatursensierungsverfahren.
Ein herkömmlicher Wärmesensor sensiert die Temperatur in einem Halbleiterbaustein und gibt das Sensierungsergebnis nur als hohen oder niedrigen Pegel aus.
Ein Wärmesensor, der beispielsweise ausgeführt ist, um eine vorbestimmte Referenztemperatur zu sensieren, gibt einen hohen Pegel aus, wenn ein aktuelle Temperatur in einem Halbleiterbaustein höher als die vorbestimmte Referenztemperatur ist, und gibt einen niedrigen Pegel aus, wenn die aktuelle Temperatur in dem Halbleiterbaustein niedriger als die vorbestimmte Referenztemperatur ist.
Daher können, um eine Temperatur in einem Halbleiterbaustein genau zu sensieren, eine Mehrzahl von Wärmsensoren erforderlich sein. Um beispielsweise eine Temperatur in einem Halbleiterbaustein, in dem sich die Betriebstemperatur bis zu 100°C ändert, mit einer gewünschten Genauigkeit von 1°C zu sensieren, sind 99 Wärmesensoren erforderlich.
1 zeigt ein Funktionsprinzip eines herkömmlichen Wärmesensors. Ein herkömmlicher Wärmesensor benutzt zwei Ströme CTAT und PTAT. CTAT wird durch Anlegen einer Durchlassvorspannung an einen pn-Übergang erzeugt und hat die Eigenschaft, dass die Höhe des Stroms abnimmt, wenn die Temperatur ansteigt. PTAT wird durch Anlegen einer Durchlassvorspannung an einen pn-Übergang erzeugt und hat die Eigenschaft, dass die Höhe des Stroms zunimmt, wenn die Temperatur ansteigt.
Die beiden Ströme PTAT und CTAT mit umkehrten Eigenschaften werden an Eingabeanschlüsse eines nicht dargestellten Komparators angelegt. Der Strom PTAT wird beispielsweise an einen positiven Anschluss des nicht dargestellten Komparators angelegt und der Strom CTAT wird beispielsweise an einen negativen Anschluss des nicht dargestellten Komparators angelegt. Dann wird die Ausgabe des nicht dargestellten Komparators beobachtet.
Unter Bezugnahme auf 1 ist der Strom CTAT größer als der Strom PTAT, wenn die Temperatur unterhalb einer Referenztemperatur REFT ist, und der nicht dargestellte Komparator gibt einen niedrigen Pegel aus. Ist die Temperatur über der Referenztemperatur REFT, dann ist der Strom PTAT größer als der Strom CTAT und der nicht dargestellte Komparator gibt einen hohen Pegel aus.
Die Temperatur, an der sich die beiden Ströme PTAT und CTAT kreuzen, entspricht der Referenztemperatur REFT. Die Referenztemperatur REFT kann willkürlich vom Entwickler bei der Auslegung des Wärmesensors gesetzt werden.
Daher kann durch Beobachten der Ausgabe des nicht dargestellten Komparators bestimmt werden, ob die aktuelle Temperatur im Halbleiterbaustein höher oder niedriger als die Referenztemperatur REFT ist. Dieser herkömmliche Wärmesensor zeigt somit nur an, ob die aktuelle Temperatur im Halbleiterbaustein höher oder niedriger als eine fest vorgegebene Referenztemperatur ist. Er kann die Temperatur im Halbleiterbaustein nicht mit irgendeiner höheren Genauigkeit sensieren. Eine Temperatursensierungsschaltung dieses Typs ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift EP 0 369 530 A2 offenbart.
In der Offenlegungsschrift US 2003/0123522 A1 ist eine Schaltung zur Sensierung der Temperatur auf einem integrierten Schaltkreischip offenbart, die eine Temperaturmessschaltung und eine Bandlückenreferenzschaltung umfasst, wobei die Bandlückenreferenzschaltung einen mit steigender Temperatur proportional abnehmenden Referenzstrom sowie einen mit ansteigender Temperatur ansteigenden Eingangsstrom für die Temperaturmessschaltung bereitstellt. Die Temperaturmessschaltung erzeugt anhand unterschiedlich dimensionierter, von dem Eingangsstrom angesteuerter Transistoren einen Satz von in ihrem Kennlinienverlauf mit ansteigender Temperatur ansteigenden und gegeneinander versetzten Messströmen und vergleicht für jeden dieser Messströme, ob er größer oder kleiner als der Referenzstrom ist, um daraus auf die tatsächliche Temperatur zu schließen, die dann als digitale Bitfolgen-Temperaturinformation abgegeben wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Temperatursensierungsschaltung und ein zugehöriges Temperatursensierungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, wenigstens teilweise die oben genannten Probleme der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen und Verfahren zur Temperatursensierung zu lösen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Temperatursensierungsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eines Temperatursensierungsverfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16.
Die Erfindung stellt eine Temperatursensierungsschaltung zur Verfügung, welche die Temperatur in einem Halbleiterbaustein genau sensiert, die sensierte Temperatur digitalisiert und das Ergebnis ausgibt. Die Erfindung stellt außerdem ein Temperatursensierungsverfahren zur Verfügung, durch das die Temperatur in einem Halbleiterbaustein genau sensiert und das sensierte Ergebnis digitalisiert und ausgegeben wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte, herkömmliche Ausführungsbeispiel sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 ein Funktionsprinzip eines herkömmlichen Wärmesensors,
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Temperatursensierungsschaltung,
3 ein Diagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Sensieren einer aktuellen Temperatur mit der Temperatursensierungsschaltung aus 2 unter Verwendung eines sukzessiven Approximationsregisteralgorithmus,
4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Speichereinheit aus 2,
5 ein Diagramm von Signalformen eines ersten bis n-ten Gattersteuersignals, welche von einer Gattersteuerschaltung aus 4 ausgegeben werden,
6 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Steuereinheit aus 2,
7 eine graphische Darstellung eines Prinzips der Reduzierung der Referenztemperatur durch Erhöhen eines ersten Stromwertes,
8 eine graphische Darstellung eines Prinzips der Erhöhung der Referenztemperatur durch Erhöhen eines zweiten Stromwertes und
9 ein Flussdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Temperatursensierungsverfahrens.
2 zeigt eine Temperatursensierungsschaltung 200, welche eine Temperatursensierungseinheit 210, eine Speichereinheit 240 und eine Steuereinheit 250 umfasst.
Die Temperatursensierungseinheit 210 gibt in Reaktion auf ein erstes Stromsteuersignal CTRLS1 oder ein zweites Stromsteuersignal CTRLS2 ein Temperatursignal TS aus, welches eine Information beinhaltet, ob die Temperatur in einem Halbleiterbaustein höher oder niedriger als eine Referenztemperatur REFT ist. Steigt die Temperatur an, dann steigt ein erster Strompegel PTAT an und ein zweiter Strompegel CTAT nimmt ab.
Die Temperatursensierungseinheit 210 umfasst insbesondere einen Wärmesensor 220 und einen Komparator 230.
Der Wärmesensor 220 ändert den ersten Strompegel PTAT in Reaktion auf das erste Stromsteuersignal CTRLS1 und ändert den zweiten Strompegel CTAT in Reaktion auf das zweite Stromsteuersignal CTRLS2, wodurch effektiv die Referenztemperatur REFT geändert wird.
Der Komparator 230 vergleicht den ersten Strompegel PTAT und den zweiten Strompegel CTAT, die Ausgaben des Wärmesensors 220, und erzeugt das Temperatursignal TS mit einem ersten oder einem zweiten Pegel.
Die Speichereinheit 240 speichert das Temperatursignal TS und gibt es aus. Die Steuereinheit 250 erzeugt das erste Stromsteuersignal CTRLS1 oder das zweite Stromsteuersignal CTRLS2 in Reaktion auf das von der Speichereinheit 240 ausgegebene Temperatursignal TS.
Dadurch wird der erste Strompegel PTAT oder der zweite Strompegel CTAT geändert, wodurch die Referenztemperatur REFT gesteuert wird.
Die erfindungsgemäße Temperatursensierungsschaltung 200 ändert die Referenztemperatur REFT des Wärmesensors 220 automatisch durch Anwendung eines sukzessiven Approximationsregisteralgorithmus (SAR-Algorithmus), wodurch die Temperatur im Halbleiterbaustein sehr genau sensiert wird.
Sensiert die Temperatursensierungsschaltung 200 z. B. eine aktuelle Temperatur mit dem SAR-Algorithmus, dann reduziert die Temperatursensierungsschaltung 200 eine Differenz zwischen der Referenztemperatur REFT und der Temperatur schrittweise durch die sukzessive Approximationen. Letztendlich wird die Temperatur mit einer verbesserten Genauigkeit sensiert.
Nachfolgend wird das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Temperatursensierungsschaltung 200 mit dem SAR-Algorithmus unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
3 zeigt ein Verfahren zum Sensieren einer aktuellen Temperatur mit der erfindungsgemäßen Temperatursensierungsschaltung aus 2 unter Verwendung des sukzessiven Approximationsregisteralgorithmus.
Verschiedene SAR-Algorithmen wurden in Analog-/Digitalwandlern (A/D-Wandlern) benutzt. Eine anfängliche Ausgabe, d. h. das vom Komparator 230 der Temperatursensierungseinheit 210 ausgegebene Temperatursignal TS, wird in einem nicht dargestellten Zwischenspeicher für ein höchstwertiges Bit (MSB) der Speichereinheit 240 gespeichert. Dann wird das im nicht dargestellten MSB-Zwischenspeicher gespeicherte Temperatursignal TS an die Steuereinheit 250 angelegt. Danach ändert die Steuereinheit 250 durch Benutzung des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 oder des zweiten Stromsteuersignal CTRLS2 die Referenztemperatur REFT des Wärmesensors 220.
Der Wärmesensor 220 sensiert nochmals die aktuelle Temperatur basierend auf der geänderten Referenztemperatur REFT und der Komparator 230 gibt die sensierte Temperatur als neues Temperatursignal TS aus. Das neue Temperatursignal TS wird in einem zweiten, nicht dargestellten Zwischenspeicher der Speichereinheit 240 gespeichert.
Auf diese Weise kann die Temperatur im Halbleiterbaustein durch eine Anzahl n von Vergleichsvorgängen des Komparators 230 genau sensiert und in n nicht dargestellten Zwischenspeichern der Speichereinheit 240 gespeichert werden.
Wird beispielsweise angenommen, dass der Temperaturbereich im nicht dargestellten Halbleiterbaustein im Bereich von 0°C bis 120°C liegt, dann wird eine anfängliche Referenztemperatur REFT des Wärmesensors 220 auf einen mittleren Temperaturwert von 60°C gesetzt. Angenommen, dass die aktuelle Temperatur im Halbleiterbaustein 70°C ist, dann ist eine anfängliche Ausgabe der Referenztemperatur TS des Komparators 230 ein hoher Pegel und wird im nicht dargestellten MSB-Zwischenspeicher gespeichert.
Das gespeicherte Temperatursignal TS wird von der Steuereinheit 250 benutzt, um den Wärmesensor 220 zu steuern. Die Referenztemperatur REFT des Wärmesensors 220 wird auf 90°C verändert, ein Wert, welcher ungefähr in der Mitte zwischen der anfänglichen Temperatur von 60°C und dem maximalen Wert des Betriebstemperaturbereichs des Halbleiterbausteins von 120°C liegt.
Nun vergleicht der Komparator 230 die angenommene Temperatur von 70°C im Halbleiterbaustein mit der neu gesetzten Referenztemperatur REFT von 90°C und stellt fest, dass die aktuelle Temperatur von 70°C niedriger als die Referenztemperatur REFT von 90°C ist, daher gibt der Komparator das Temperatursignal TS mit einem niedrigen Pegel aus und speichert das ausgegebene Temperatursignal TS in einem zweiten nicht dargestellten Zwischenspeicher der Speichereinheit 240.
Das neu gespeicherte Temperatursignal TS wird von der Steuereinheit 250 benutzt, um den Wärmesensor 220 zu steuern und die Referenztemperatur REFT des Wärmesensors 220 auf 75°C zu ändern, dies entspricht einem Wert, der ungefähr in der Mitte zwischen 90°C und 60°C liegt.
Durch eine passende Anzahl von Wiederholungen (n-Mal) kann die Temperatur des Halbleiterbausteins genau sensiert werden und die sensierte Temperatur kann als digitale Ausgabe ausgegeben werden.
Wie hier beschrieben ist, wird ein neuer Wert für die Referenztemperatur REFT ungefähr in die Mitte zwischen dem vorherigen Wert der Referenztemperatur REFT und einer Temperaturgrenze auf einer Seite der Referenztemperatur REFT gesetzt. Ist die aktuelle Temperatur im Halbleiterbaustein beispielsweise niedriger als die augenblickliche Referenztemperatur REFT, dann wird die nächste Referenztemperatur REFT ungefähr in die Mitte zwischen dem bisherigen Wert der Referenztemperatur REFT und einer Temperaturgrenze gesetzt, die niedriger als die aktuelle Temperatur im Halbleiterbaustein ist. Dem Fachrnann ist klar, dass der neue Wert der Referenztemperatur REFT auf einen beliebigen Wert zwischen dem vorherigen Wert der Referenztemperatur REFT und der Temperaturgrenze gesetzt werden kann.
Ist wie im Beispiel aus 3 der Betriebstemperaturbereich des Halbleiterbausteins von 0 bis 120°C und wird die Temperatur in einem Halbleiterchip in Einheiten von 1°C sensiert, dann sollten der Speichereinheit 240 sieben nicht dargestellte Zwischenspeicher zur Verfügung gestellt werden und die Temperatursensierungseinheit 210 sollte sieben Mal betrieben werden. Daher können durch Variieren der Anzahl von durchgeführten Iterationsschritten und der Anzahl von verwendeten Zwischenspeichern Ausführungsformen der Erfindung implementiert werden, um über einen beliebigen Temperaturbereich Temperaturen mit jedem gewünschten Genauigkeitsgrad zu sensieren.
4 zeigt ein Schaltbild einer Speichereinheit aus 2.
5 zeigt ein Signalformdiagramm eines ersten bis n-ten Gattersteuersignals, welche von einer Gattersteuereinheit aus 4 ausgegeben werden.
Wie aus den 4 und 5 ersichtlich ist, umfasst die Speichereinheit 240 einen ersten bis n-ten Zwischenspeicher LT1, LT2, ..., LTn zum Speichern des Temperatursignals TS, ein erstes bis n-tes Übertragungsgatter TG1, TG2, ..., TGn zum Übertragen des Temperatursignals TS an den ersten bis n-ten Zwischenspeicher‚ T1, LT2, ..., LTn und eine Gattersteuereinheit 410.
Die Gattersteuereinheit 410 erzeugt erste bis n-te Gattersteuersignale S1, S2, ... und Sn bzw. BS1, BS2, ... und BSn, welche benutzt werden, um das erste bis n-te Übertragungsgatter TG1, TG2, ..., TGn leitend oder sperrend zu schalten.
Wie oben ausgeführt, wird das Temperatursignal TS sequentiell in den ersten bis n-ten Zwischenspeichern LT1, LT2, ..., LTn gespeichert, wann immer das Temperatursignal TS von der Temperatursensierungseinheit 210 ausgegeben wird. Die ersten bis n-ten Zwischenspeicher LT1, LT2, ..., LTn geben das gespeicherte Temperatursignal TS an die Steuereinheit 250 aus.
Wird beispielsweise das erste Gattersteuersignal S1 oder B1 benutzt, um das erste Übertragungsgatter TG1 leitend zu schalten, dann wird eine aktuelle Temperatur, welche anfänglich von der Temperatursensierungseinheit 210 sensiert und als Temperatursignal TS ausgegeben wird, im ersten Zwischenspeicher LT1 gespeichert.
Während das erste Übertragungsgatter TG1 leitend geschaltet ist, sind die anderen Übertragungsgatter TG2, ... und TGn sperrend geschaltet. Wie aus 5 ersichtlich ist, überlappen die Aktivierungsperioden der ersten bis n-ten Gattersteuersignale S1, S2, ... und Sn bzw. BS1, BS2, ... und BSn nicht miteinander. Daher wird in den ersten bis n-ten Übertragungsgattern TG1, TG2, ..., TGn ein vorheriges Übertragungsgatter leitend geschaltet, sperrend geschaltet und dann wird ein nächstes Übertragungsgatter leitend geschaltet.
Ein im ersten Zwischenspeicher LT1 gespeichertes Temperatursignal STS1 wird an die Steuereinheit 250 angelegt und die Steuereinheit 250 gibt ein erstes Stromsteuersignal CTRLS1 oder ein zweites Stromsteuersignal CTRLS2 aus und steuert den Wärmesensor 220 der Temperatursensierungseinheit 210. Als Ergebnis wird die Referenztemperatur REFT geändert. Nachfolgend wird der Betrieb der Steuereinheit 250 beschrieben.
Die Temperatursensierungseinheit 210 sensiert eine aktuelle Temperatur basierend auf der geänderten Referenztemperatur REFT, und das Sensierungsergebnis wird als Temperatursignal TS ausgegeben. Dann wird das zweite Gattersteuersignal S2 bzw. BS2 benutzt, um das zweite Übertragungsgatter TG2 leitend zu schalten, und das von der Temperatursensierungseinheit 210 ausgegebene neue Temperatursignal TS wird im zweiten Zwischenspeicher LT2 gespeichert.
Das im zweiten Zwischenspeicher LT2 gespeicherte Temperatursignal STS2 wird an die Steuereinheit 250 angelegt und die Steuereinheit 250 gibt ein erstes Stromsteuersignal CTRLS1 oder ein zweites Stromsteuersignal CTRLS2 aus und steuert den Wärmesensor 220 der Temperatursensierungseinheit 210. Dann wird wieder die Referenztemperatur REFT geändert. Auf diese Weise überträgt die Speichereinheit 240 das Temperatursignal TS an die Steuereinheit 250.
Wird der Temperatursensierungsvorgang n Mal durchgeführt, dann ist das von der Speichereinheit 240 ausgegebene Temperatursignal STS ein digitales n-Bit-Signal. Ein Benutzer kann die aktuelle Temperatur im Halbleiterbaustein aus dem digitalen n-Bit-Signal genau bestimmen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuereinheit aus 2.
7 zeigt eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Prinzips der Reduzierung einer Referenztemperatur durch Erhöhen eines ersten Stromwertes.
8 zeigt eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Prinzips der Erhöhung einer Referenztemperatur durch Erhöhen eines zweiten Stromwertes.
Die beispielhafte Steuereinheit 250 aus 6 umfasst einen ersten Stromsteuersignalerzeugungsteil 610 und einen zweiten Stromsteuersignalerzeugungsteil 620. Der erste Stromsteuersignalerzeugungsteil 610 erzeugt ein erstes Stromsteuersignal CTRLS1 in Reaktion auf das von der Speichereinheit 240 ausgegebene Temperatursignal STS.
Der zweite Stromsteuersignalerzeugungsteil 620 erzeugt ein zweites Stromsteuersignal CTRLS2 in Reaktion auf das von der Speichereinheit 240 ausgegebene Temperatursignal STS. Der Stromwert des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 und des zweiten Stromsteuersignal CTRLS2 verändert sich in Reaktion auf das Temperatursignal STS.
Der erste Stromsteuersignalerzeugungsteil 610 umfasst einen ersten bis n-ten positiven Stromwertsteuerteil PCC1, PCC2, ... und PCCn zum Steuern des Stromwertes des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 in Reaktion auf das korrespondierende Temperatursignal STS.
Jeder der ersten bis n-ten positiven Stromwertsteuerteile PCC1, PCC2, ... und PCCn kann aus einem PMOS-Transistor aufgebaut sein, der einen ersten Anschluss, der mit einer Energieversorgung verbunden ist, ein Gate, an welches der korrespondierende Teil des Temperatursignals STS angelegt wird, und einen zweiten Anschluss aufweist, über welchen das erste Stromsteuersignal CTRLS1 ausgegeben wird.
Der erste Stromsteuersignalerzeugungsteil 610 kann des Weiteren eine erste bis n-te positive Stromquelle ISP1, ISP2, ... und ISPn umfassen. Die erste bis n-te positive Stromquelle ISP1, ISP2, ... und ISPn kann den Wert des Stromes einstellen, welcher über den korrespondierenden positiven Stromsteuerteil fließt. Dies stellt den Wert des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 veränderlich ein.
Der zweite Stromsteuersignalerzeugungsteil 620 umfasst einen ersten bis n-ten negativen Stromwertsteuerteil NCC1, NCC2, ... und NCCn zum Steuern des Stromwertes des zweiten Stromsteuersignals CTRLS2 in Reaktion auf das korrespondierende Temperatursignal STS.
Jeder der ersten bis n-ten negativen Stromwertsteuerteile NCC1, NCC2, ... und NCCn kann aus einem NMOS-Transistor aufgebaut sein, der einen ersten Anschluss, der mit einer Energieversorgung verbunden ist, ein Gate, an welches der korrespondierende Teil des Temperatursignals STS angelegt wird, und einen zweiten Anschluss aufweist, über welchen das zweite Stromsteuersignal CTRLS2 ausgegeben wird.
Der zweite Stromsteuersignalerzeugungsteil 620 kann des Weiteren eine erste bis n-te negative Stromquelle ISN1, ISN2, ... und ISNn umfassen. Die erste bis n-te negative Stromquelle ISN1, ISN2, ... und ISNn kann den Wert des Stromes einstellen, welcher über den korrespondierenden negativen Stromsteuerteil fließt. Dies stellt den Wert des zweiten Stromsteuersignals CTRLS2 veränderlich ein.
Wird wie im vorherigen Beispiel angenommen, dass die aktuelle Temperatur im Halbleiterbaustein 70°C und die anfängliche Referenztemperatur REFT 60°C ist, dann gibt der Komparator 230 das Temperatursignal TS mit einem hohen Pegel aus. Das Temperatursignal mit dem hohen Pegel wird im ersten Zwischenspeicher LT1 gespeichert. Das im ersten Zwischenspeicher LT1 gespeicherte Temperatursignal wird zur Vereinfachung mit STS1 bezeichnet. Das Temperatursignal STS1 wird an den ersten Stromsteuersignalerzeugungsteil 610 und an den zweiten Stromsteuersignalerzeugungsteil 620 der Steuereinheit 250 angelegt.
Ist der erste positive Stromwertsteuerteil PCC1 ein PMOS-Transistor, dann wird er durch das Temperatursignal STS1 mit dem hohen Pegel nicht beeinflusst. Im Unterschied wird, wenn der erste negative Stromwertsteuerteil NCC1 ein NMOS-Transistor ist, der erste negative Stromwertsteuerteil NCC1 durch das Temperatursignal STS1 mit dem hohen Pegel leitend geschaltet.
Daraus resultiert, dass der Stromwert des zweiten Stromsteuersignals CTRLS2 erhöht wird. Das zweite Stromsteuersignal CTRLS2 wird an den Wärmesensor 220 der Temperatursensierungseinheit 210 angelegt und steuert einen zweiten Strom CTAT. Wird der Stromwert des zweiten Stromsteuersignals CTRLS2 erhöht, dann wird der Stromwert des zwei ten Stromes CTAT erhöht, und wenn der Stromwert des zweiten Stromsteuersignals CTRLS2 abgesenkt wird, dann wird der Stromwert des zweiten Stromes CTAT abgesenkt.
Wie aus 7 ersichtlich ist, wird, wenn der Stromwert des zweiten Stromes CTAT erhöht wird, die Temperatur an einer Position erhöht, an welcher die Kennlinie des zweiten Stromes CTAT die Kennlinie des ersten Stromes PTAT schneidet. Da die Position, an welcher der zweite Strom CTAT den ersten Strom PTAT schneidet, die Referenztemperatur REFT ist, wird durch den ansteigenden Stromwert des zweiten Stromes CTAT eine neue Referenztemperatur REFT2 gegenüber der vorherigen Referenztemperatur REFT1 erhöht.
Ist die neue Referenztemperatur REFT2 90°C, dann ist die aktuelle Temperatur des Halbleiterbausteins 70°C. Daher gibt der Komparator 230 das Temperatursignal TS mit einem niedrigen Pegel aus. Dann wird das Temperatursignal TS mit dem niedrigen Pegel im zweiten Zwischenspeicher LT2 gespeichert.
Das im zweiten Zwischenspeicher LT2 gespeicherte Temperatursignal wird zur Vereinfachung mit STS2 bezeichnet. Das Temperatursignal STS2 wird an den ersten Stromsteuersignalerzeugungsteil 610 und an den zweiten Stromsteuersignalerzeugungsteil 620 der Steuereinheit 250 angelegt.
Ist der zweite positive Stromwertsteuerteil PCC2 ein PMOS-Transistor, dann wird er in Reaktion auf das Temperatursignal STS2 mit dem niedrigen Pegel leitend geschaltet. Im Unterschied wird, wenn der zweite negative Stromwertsteuerteil NCC2 ein NMOS-Transistor ist, der Transistor durch das Temperatursignal STS2 mit dem niedrigen Pegel nicht beeinflusst.
Daraus resultiert, dass der Stromwert des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 erhöht wird. Das erste Stromsteuersignal CTRLS1 wird an den Wärmesensor 220 der Temperatursensierungseinheit 210 angelegt und steuert den ersten Strom PTAT. Wird der Stromwert des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 erhöht, dann wird der Stromwert des ersten Stromes PTAT erhöht, und wenn der Stromwert des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 abgesenkt wird, dann wird der Stromwert des ersten Stromes PTAT abgesenkt.
Wie aus 8 ersichtlich ist, wird, wenn der Stromwert des ersten Stromes PTAT erhöht wird, die Temperatur abgesenkt, an welcher der erste Strom PTAT den zweiten Strom CTAT schneidet. Da die Position, an welcher der erste Strom PTAT den zweiten Strom CTAT schneidet, die Referenztemperatur REFT ist, wird durch den ansteigenden Stromwert des ersten Stromes PTAT eine neue Referenztemperatur REFT2 gegenüber der vorherigen Referenztemperatur REFT1 abgesenkt.
Bisher wurde nur ein Fall beschrieben, bei dem der Stromwert des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 oder des zweiten Stromsteuersignals CTRLS2 erhöht worden ist. In anderen Ausführungsformen kann jedoch der Stromwert des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 oder des zweiten Stromsteuersignals CTRLS2 abgesenkt werden, in Abhängigkeit von der Konfiguration der Steuereinheit 250, und eine neue Referenztemperatur REFT kann in Abhängigkeit von dem Stromwert des ersten Stromsteuersignals CTRLS1 oder des zweiten Stromsteuersignals CTRLS2 festgelegt werden.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Temperatursensierungsverfahrens. Wie aus 9 ersichtlich ist, kann ein Temperatursensierungsverfahren durch einen Prozessablauf 900 des Halbleiterbausteins ausgeführt werden. Zuerst wird ein Temperatursignal durch Nutzung eines ersten Stromes und eines zweiten Stromes ausgegeben, welches Informationen darüber umfasst, ob eine Temperatur im Halbleiterbaustein höher oder niedriger als eine Referenztemperatur ist (Schritt 910).
Danach wird, wenn das Temperatursignal erzeugt ist, das Temperatursignal sequentiell gespeichert und ausgegeben (Schritt 920). Dann wird das erste Stromsteuersignal oder das zweite Stromsteuersignal in Reaktion auf das im Schritt 920 ausgegebene Temperatursignal verändert (Schritt 930).
Danach wird basierend auf der gewünschten Genauigkeit eine Entscheidung getroffen (Schritt 940). Ist die gewünschte Genauigkeit erreicht, dann wird der Ablauf beendet. Ansonsten kehrt der Ablauf zum Schritt 910 zurück.
Der Schritt 910 kann mit der Funktionsweise des Komparators 230 der Temperatursensierungseinheit 210 aus 2 korrespondieren. Der Schritt 920 kann mit der Funktionsweise der Speichereinheit 240 korrespondieren. Der Schritt 930 kann mit der Funktionsweise der Steuereinheit 250 und des Wärmesensors 220 der Temperatursensierungseinheit 210 korrespondieren. Der Schritt 940 benutzt die Schritte 910 bis 930 in einem SAR-Algorithmus. In anderen Worten ausgedrückt, der Temperatursensierungsprozessablauf 900 korrespondiert mit der Funktionsweise der Temperatursensierungsschaltung 200 aus 2 und daher wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
In anderen Ausführungsformen kann eine Schaltung zum temperaturabhängigen Steuern einer Selbstauffrischungsperiode eines dynamischen Speichers mit direktem Zugriff (DRAM) mit der Temperatursensierungseinheit 200 implementiert werden.
Die Schaltung zum Steuern der Selbstauffrischungsperiode abhängig von der Temperatur ist unter Benutzung von herkömmlichen Wärmesensoren implementiert worden. Durch die Beschränkungen der existierenden Wärmesensoren, welche nur einen hohen Pegel oder einen niedrigen Pegel basierend auf einer einzigen Referenztemperatur ausgeben, kann jedoch die Selbstauffrischungsperiode nicht genau gemäß dem Temperaturbereich gesteuert werden.
Um die Selbstauffrischungsperiode durch Benutzung des herkömmlichen Wärmesensors über einen Temperaturbereich hinweg zu steuern, ist eine Mehrzahl von Wärmesensoren erforderlich.
Daher kann mit der Temperatursensierungsschaltung gemäß Erfindung die Selbstauffrischungsperiode durch das digitale Signal gesteuert werden, das von der Speichereinheit 240 aus 2 ausgegeben wird.
Umfasst die Speichereinheit 240 beispielsweise eine Mehrzahl von Zwischenspeichern und ist die Ausgabe der Zwischenspeicher gleich 0000000, dann ist das DRAM mit einer 0°C-Selbstauffrischungsperiode ausgeführt. Ist die Ausgabe der Zwischenspeicher gleich 1111111, dann ist das DRAM mit einer 127°C-Selbstauffrischungsperiode ausgeführt.
Wie oben erläutert, wird bei der Temperatursensierungsschaltung und dem Temperatursensierungsverfahren gemäß der Erfindung die Temperatur in einem Halbleiterbaustein genau sensiert und das sensierte Ergebnis wird als digitales Signal ausgegeben und kann zum Steuern von Parametern benutzt werden, die abhängig von der Temperatur im Halbleiterbaustein geändert werden, wie zum temperaturabhängigen Steuern einer Selbstauffrischungsperiode.

Claims

Temperatursensierungsschaltung zum Sensieren einer Temperatur in einem Halbleiterbaustein mittels eines sukzessiven binären Approximationsalgorithmus, mit – einer Temperatursensierungseinheit (210), die einen Wärmesensor (220) und einen Komparator (230 umfasst, wobei der Wärmesensor ein zur Temperatur proportionales, erstes Strompegelsignal (PTAT) und ein zur Temperatur umgekehrt proportionales, zweites Strompegelsignal (CTAT) abgibt und der Komparator aus einem Vergleich der beiden Strompegelsignale ein binäres Temperatursignal (TS) abgibt, das anzeigt, ob die Temperatur höher oder niedriger als eine Referenztemperatur (REFT) ist, bei der die beiden Strompegelsignale gleich groß sind, – einer Speichereinheit (240), die strukturiert ist, um das binäre Temperatursignal aufeinanderfolgender Approximationszyklen zu speichern und ein entsprechendes gespeichertes Temperatursignal (STS) auszugeben, und – einer Steuereinheit (250), die zum variablen Einstellen der Referenztemperatur in den aufeinanderfolgenden Approximationszyklen strukturiert ist und dazu in Abhängigkeit von dem jeweils momentanen gespeicherten Temperatursignal (STS) ein erstes Stromsteuersignal (CTRLS1) für die Temperatursensierungseinheit zum Verändern des ersten Strompegelsignals (PTAT) und/oder ein zweites Stromsteuersignal (CTRLS2) für die Temperatursensierungseinheit zum Verändern des zweiten Strompegelsignals (CTAT) derart erzeugt, dass sie die Referenztemperatur für den jeweils nächsten Approximationszyklus um ein sukzessiv kleineres Inkrement in der vom binären Temperatursignal (TS) im momentanen Approximationszyklus angezeigten Richtung ändert.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Speichereinheit folgende Komponenten umfasst: – einen ersten bis n-ten Zwischenspeicher zum Speichern des Temperatursignals für eine Anzahl n von Approximationszyklen, – ein erstes bis n-tes Übertragungsgatter zum Übertragen des Temperatursignals an den ersten bis n-ten Zwischenspeicher und – eine Gattersteuereinheit, die aufgebaut ist, um ein erstes bis n-tes Steuersignal zu erzeugen, die benutzt werden, um das erste bis n-te Übertragungsgatter leitend zu schalten oder zu sperren.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei – jeder Zwischenspeicher mit einem Eingang und einem Ausgang strukturiert ist, wobei die Zwischenspeicherausgänge eine gespeicherte Temperatursignalausgabe bilden, – jedes Gatter mit einem Eingang, einem Ausgang und einem Steuereingang strukturiert ist, wobei die Gatterausgänge mit den Zwischenspeichereingängen gekoppelt sind und die Gatterein gänge mit der gespeicherten Temperatursignalausgabe gekoppelt sind, und – die Gattersteuereinheit eine Mehrzahl von Steuerausgängen umfasst, die mit den Gattersteuereingängen gekoppelt sind.
Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Speichereinheit das Temperatursignal sequentiell in dem ersten bis n-ten Zwischenspeicher speichert, wenn das Temperatursignal von der Temperatursensierungseinheit ausgegeben wird, und wobei der erste bis n-te Zwischenspeicher das gespeicherte Temperatursignal sequentiell an die Steuereinheit ausgeben.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Speichereinheit bei dem ersten bis n-ten Übertragungsgatter ein vorheriges Übertragungsgatter leitend und sperrend schaltet und dann ein nachfolgendes Übertragungsgatter leitend schaltet.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Aktivierungsperioden des ersten bis n-ten Gattersteuersignals nicht miteinander überlappen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuereinheit folgende Komponenten umfasst: – einen ersten Stromsteuersignalerzeugungsteil, welcher das gespeicherte Temperatursignal empfängt und das erste Stromsteuersignal ausgibt, und – einen zweiten Stromsteuersignalerzeugungsteil, welcher das gespeicherte Temperatursignal empfängt und das zweite Steuersignal ausgibt.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei der erste Stromsteuersignalerzeugungsteil das erste Stromsteuersignal mit einem Stromwert in Reaktion auf das in der Speichereinheit gespeicherte Temperatursignal erzeugt, und der zweite Stromsteuersignalerzeugungsteil das zweite Stromsteuersignal mit einem Stromwert in Reaktion auf das in der Speichereinheit gespeicherte Temperatursignal erzeugt, wobei die Steuereinheit den Stromwert des ersten Stromsteuersignals und den Stromwert des zweiten Stromsteuersignals in Abhängigkeit vom Temperatursignal erhöht oder abgesenkt.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei der Stromwert des ersten Stromsteuersignals abgesenkt oder der Stromwert des zweiten Stromsteuersignals erhöht wird, wenn das Temperatursignal einen ersten Pegel aufweist, und der Stromwert des ersten Stromsteuersignals erhöht oder der Stromwert des zweiten Stromsteuersignals abgesenkt wird, wenn das Temperatursignal einen zweiten Pegel aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der erste Stromsteuersignalerzeugungsteil einen ersten bis n-ten positiven Stromwertsteuerteil zum Ausgeben des ersten Stromsteuersignals in Reaktion auf das gespeicherte Temperatursignal umfasst und/oder der zweite Stromsteuersignalerzeugungsteil einen ersten bis n-ten negativen Stromwertsteuerteil zum Ausgeben des zweiten Stromsteuersignals in Reaktion auf das gespeicherte Temperatursignal umfasst.
Schaltung nach Anspruch 10, wobei jeder der positiven Stromwertsteuerteile mit einer Energieversorgung gekoppelt ist und in Reaktion auf das gespeicherte Temperatursignal den Stromwert des ersten Stromsteuersignals steuert und/oder jeder der negativen Stromwertsteuerteile mit einer Energieversorgung gekoppelt ist und in Reaktion auf das gespeicherte Temperatursignal den Stromwert des zweiten Stromsteuersignals steuert.
Schaltung nach Anspruch 11, wobei der erste Steuersignalerzeugungsteil des Weiteren eine Mehrzahl von positiven Stromquellen umfasst, wobei jede positive Stromquelle mit der Energieversorgung gekoppelt ist und jeder positive Stromwertsteuerteil mit der entsprechenden positiven Stromquelle gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der zweite Steuersignalerzeugungsteil des Weiteren eine Mehrzahl von negativen Stromquellen umfasst, wobei jede negative Stromquelle mit der Energieversorgung gekoppelt ist und jeder negative Stromwertsteuerteil mit der entsprechenden negativen Stromquelle gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei einer oder mehrere des ersten bis n-ten positiven Stromwertsteuerteils je ein PMOS-Transistor sind, welcher einen ersten Anschluss, der mit einer Energieversorgung gekoppelt ist, ein Gate, an welches das korrespondierende Temperatursignal angelegt wird, und einen zweiten Anschluss aufweist, an welchem das erste Stromsteuersignal ausgegeben wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei einer oder mehrere des ersten bis n-ten negativen Stromwertsteuerteils je ein NMOS-Transistor sind, welcher einen ersten Anschluss, der mit einer Energieversorgung gekoppelt ist, ein Gate, an welches das korrespondierende Temperatursignal angelegt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, welcher das zweite Stromsteuersignal ausgibt.
Verfahren zum Sensieren einer Temperatur in einem Halbleiterbaustein mittels eines sukzessiven binären Approximationsalgorithmus, mit folgenden Schritten: a) Vorgeben einer unteren Temperaturgrenze und einer oberen Temperaturgrenze, b) Bereitstellen eines Wärmesensors (220), der ein zur Temperatur proportionales, erstes Strompegelsignal (PTAT) und ein zur Temperatur umgekehrt proportionales, zweites Strompegelsignal (CTAT) abgibt, und Vorgeben einer Referenztemperatur (REFT), bei der die beiden Strompegelsignale gleich groß sind, c) Durchführen einer vorgebbaren Anzahl aufeinanderfolgender Temperaturapproximationszyklen, in denen jeweils durch Vergleich der beiden Strompegelsignale festgestellt wird, ob die Temperatur höher oder niedriger als die Referenztemperatur ist und ein entsprechendes binäres Temperatursignal (TS) erzeugt und gespeichert wird und für den jeweils nächsten Approximationszyklus die Referenztemperatur auf einen Wert zwischen der bisherigen Referenztemperatur und der oberen Temperaturgrenze sowie die untere Temperaturgrenze auf die bisherige Referenztemperatur gesetzt werden, wenn die Temperatur im momentanen Approximationszyklus höher als die Referenztemperatur ist, und die Referenztemperatur auf einen Wert zwischen der bisherigen Referenztemperatur und der unteren Temperaturgrenze sowie die obere Temperaturgrenze auf die bisherige Referenztemperatur gesetzt werden, wenn die Temperatur im momentanen Approximationszyklus niedriger als die Referenztemperatur ist, und d) Ausgabe der Binärfolge des in den aufeinanderfolgenden Approximationszyklen gespeicherten Temperatursignals als Information über die sensierte Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei zum Ändern der Referenztemperatur für den jeweils nächsten Approximationszyklus das erste Strompegelsignal erhöht und/oder das zweite Strompegelsignal ver ringert wird, wenn die Temperatur im momentanen Approximationszyklus über der Referenztemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei als neuer Referenztemperaturwert für den jeweils nächsten Approximationszyklus ein Mittelwert der aktuellen Referenztemperatur und der aktuellen oberen Temperaturgrenze oder unteren Temperaturgrenze gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Temperatur in einem Halbleiterbaustein gemessen wird, der als dynamischer Speicher mit direktem Zugriff und mit einer Selbstauffrischungsperiode ausgeführt ist, die basierend auf der gespeicherten Temperatur geändert wird.