DE102007002253A1

DE102007002253A1 - Temperatursensor und Temperaturdetektionsverfahren

Info

Publication number: DE102007002253A1
Application number: DE102007002253A
Authority: DE
Inventors: Chan-kyung Suwon Kim; Young-Hyun Jun
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: KR100800470B1; DE102007002253B4; US20070160113A1; KR20070074938A; TW200733128A; JP2007187659A; US7581881B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperatursensor und auf ein zugehöriges Temperaturdetektionsverfahren, die insbesondere für den Einsatz in Halbleiterbauelementen geeignet sind. DOLLAR A Ein erfindungsgemäßer Temperatursensor beinhaltet erste Taktsignalerzeugungsmittel (411) zur Erzeugung eines ersten Taktsignals (OSC1) mit temperaturabhängig variabler Taktsignalperiode, zweite Taktsignalerzeugungsmittel (421) zur Erzeugung eines zweiten Taktsignals (OSC2) mit temperaturunabhängiger Taktsignalperiode und Temperaturcodegeneratormittel (422) zum Ermitteln einer temperaturabhängig variablen Impulsbreite des ersten Taktsignals durch Abzählen von Impulsen des zweiten Taktsignals und zur davon abhängigen Erzeugung einer Temperaturcodeinformation (Tcode). DOLLAR A Verwendung z.B. in Halbleiterspeicherbauelementen vom DRAM-Typ.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperatursensor, insbesondere zum Einsatz in Halbleiterbauelementen, und auf ein zugehöriges Temperaturdetektionsverfahren.

Halbleiterbauelemente weisen bekanntermaßen temperaturabhängige Betriebseigenschaften auf, z.B. hinsichtlich Stromverbrauch und Betriebsgeschwindigkeit. So veranschaulicht 1 in Diagrammform schematisch ein übliches Temperaturverhalten eines Halbleiterbauelements, demgemäß die Betriebsgeschwindigkeit t_ACCESS mit steigender Temperatur zunimmt, siehe die Kennlinie A, und der Stromverbrauch I_DD mit steigender Temperatur abnimmt, siehe die Kennlinie B. Diese Temperatureigenschaften sind besonders für flüchtig speichernde Speicherbauelemente von großer Bedeutung, wie dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM). Da DRAM-Zellen mit steigender Temperatur einen erhöhten Leckstrom zeigen, können sich die Datenhalteeigenschaften dadurch verschlechtern, was die Datenhaltezeit reduziert. Um dem zu begegnen, benötigen DRAM-Bauelemente dann schnellere Wiederauffrischzyklen. Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zur temperaturabhängigen Änderung der Wiederauffrischperiode von DRAM-Bauelementen, um den Effekt geringerer Datenhaltefähigkeit bei höheren Temperaturen zu kompensieren. Zu diesem Zweck wird innerhalb des DRAM-Bauelements ein Temperatursensor zur Temperaturerfassung benötigt.

2 veranschaulicht im Schaltbild einen hierzu gebräuchlichen, herkömmlichen Temperatursensor 200 mit einem proportional zur absoluten Temperatur arbeitenden Stromgenerator (PTAT-Stromgenerator) 210, einem komplementär zur absoluten Temperatur arbeitenden Stromgenerator (CTAT-Stromgenerator) 220 und einem Komparator 230. Der PTAT-Stromgenerator 210 beinhaltet einen ersten und einen zweiten PMOS-Transistor MP1, MP2, einen ersten und einen zweiten NMOS-Transistor MN1, MN2, einen Widerstand R sowie eine erste und eine zweite Diode D1, D2. Die beiden PMOS-Transistoren MP1 und MP2 sind von gleicher Größe und bilden einen ersten Stromspiegel. Die beiden NMOS-Transistoren MN1 und MN2 sind von gleicher Größe und bilden einen zweiten Stromspiegel. Die erste und die zweite Diode D1, D2 weisen ein Größenverhältnis von 1:M auf, mit einer vorgebbaren Größenverhältniszahl M.

Da der erste Stromspiegel mit den beiden PMOS-Transistoren MP1 und MP2 symmetrisch zum zweiten Stromspiegel mit den beiden NMOS-Transistoren MN1 und MN2 ist, sind die zugehörigen Stromstärken I_a1 und I_a2 identisch, d.h. es gilt für das Verhältnis I_a1 : I_a2 = 1 : 1. Allgemein gilt für einen Durchlassstrom ID einer Diode die Beziehung ID = Is·(eVD/VT – 1) = Is·(eVD/VT), (1)wobei Is einen Sättigungssperrstrom der Diode, Vd eine Diodenspannung und VT eine Temperaturspannung gleich kT/q bezeichnen. Daher ist der durch die erste Diode D1 fließende Strom I_a1 gegeben durch folgende Gleichung 2: Ia1 = Is·(eVD1/VT) (2)

Die Diodenspannung VD1 der ersten Diode D1 ist demgemäß gegeben durch folgende Gleichung 3: VD1 = VT·In(Ia1/Is) (3)

Analog ist die Diodenspannung VD2 der zweiten Diode D2 durch folgende Gleichung 4 gegeben: VD2 = VT·In(Ia2/(Is·M)) (4)

Da die Stromstärken I_a1 und I_a2 identisch sind, ist die Spannung VD1 der ersten Diode D1 praktisch gleich einer momentanen Temperaturspannung V(NOC0), d.h. es gilt die nachstehende Gleichung 5: V(NOC0) = VD1 = VD2 + Ia2·R (5)

Durch Einsetzen der Gleichungen 3 und 4 in die Gleichung 5 ergibt sich folgende Gleichung 6: VT·In(Ia1/Is) = VT·In(Ia2/(Is·M)) + Ia2·R (6)

Daher ergibt sich für den Strom I_a2 folgende Gleichung 7: Ia2 = VT·In(M)/R (7)

Somit ist der Strom I_a2 und damit auch der Strom I_a1 proportional zur Temperatur, d.h. der PTAT-Stromgenerator 210 erzeugt den Strom I_a1 proportional zur momentanen Temperatur.

Der CTAT-Stromgenerator 220 beinhaltet einen dritten PMOS-Transistor MP3, einen dritten NMOS-Transistor MN3, mehrere Widerstände Raa, RU1 bis RU5 und RD1 bis RD5 sowie mehrere Schalttransistoren TU1 bis TU5 und TD1 bis TD5. Der dritte NMOS-Transistor MN3 ist mit dem ersten und dem zweiten NMOS-Transistor MN1, MN2 und mit einem Stromspiegel gekoppelt. Ein zugehöriger Strom I_b ist praktisch gleich den Strömen I_a1 und I_a2. Die Schalttransistoren TU1 bis TU5 und TD1 bis TD5 werden in Reaktion auf Auslösetemperatursteuersignale AU1 bis AU5 und AD1 bis AD5 leitend bzw. sperrend geschaltet, so dass die Widerstände RU1 bis RU5 und RD1 bis RD5, die mit den Schalttransistoren TU1 bis TU5 und TD1 bis TD5 in der gezeigten Weise gekoppelt sind, selektiv kurzgeschlossen werden.

Wenn die Stromstärken I_b, I_a1 und I_a2 praktisch identisch sind, sind Knotenspannungen VA und VB des PTAT-Stromgenerators 210 praktisch gleich einer Knotenspannung VC des CTAT-Stromgenerators 220. In den obigen Gleichungen 3 und 4 erhöht sich die Spannung VT mit ansteigender Temperatur, jedoch steigt die Stromstärke Is stärker an als die Spannung VT. Mit abnehmender Temperatur reduziert sich die Diodenspannung, so dass die über die Widerstände Raa, RU1 bis RU5 und RD1 bis RD5 fließende Stromstärke I_b mit ansteigender Temperatur abnimmt, d.h. der vom CTAT-Stromgenerator 220 erzeugte Strom ist umgekehrt proportional zur Temperatur.

Der Komparator 230 vergleicht die momentane Temperaturspannung V(NOC0), nachstehend auch als NOC0 bezeichnet, mit einer abgetasteten Temperaturspannung NOC1. Die momentane Temperaturspannung NOC0 und die abgetastete Temperaturspannung NOC1 sind durch den Strom I_a1 bzw. den Strom I_b bestimmt. Der Temperatursensor 200 detektiert somit eine an einem Punkt vorhandene Temperatur, an dem die Stromstärken I_a1 und I_b zueinander identisch sind, wie in 3 veranschaulicht, die in Diagrammform das zugehörige Temperaturdetek tionsverfahren unter Verwendung des Temperatursensors von 2 illustriert.

Wie aus 3 ersichtlich, ist der Strom I_a1 proportional zur Temperatur, während der Strom I_b umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Es sei beispielsweise angenommen, dass eine in einem den Temperatursensor 200 enthaltenden Halbleiterchip herrschende Temperatur gleich 45°C ist. Wenn die Stromstärke I_b kleiner als die Stromstärke I_a1 ist, werden die Auslösetemperatursteuersignale AU1 bis AU5 und AD1 bis AD5 des CTAT-Stromgenerators 220 selektiv freigegeben, um den Widerstandswert des CTAT-Stromgenerators 220 zu steuern und so die Stromstärke I_b zu steigern, siehe Pfeil C in 3, so dass die Stromstärken I_b und I_a1 wieder im wesentlichen identisch werden. Wenn andererseits der Strom I_b größer als der Strom I_a1 ist, werden die Auslösetemperatursteuersignale AO1 bis AO5 und AD1 bis AD5 des CTAT-Stromgenerators 220 selektiv deaktiviert, um den Widerstandswert des CTAT-Stromgenerators 220 so zu steuern, dass die Stromstärke I_b abnimmt, so dass die Stromstärken I_b und I_a1 wieder identisch zueinander werden, siehe Pfeil D von 3. Wenn die Stromstärken I_b und I_a1 identisch sind, sensiert der Temperatursensor 200 die vorhandene Temperatur des Chips, d.h. 45°C.

Im Temperatursensor 200 sind die erste und die zweite Diode D1, D2 durch einen Bipolartransistor vom NPN-Typ oder PNP-Typ realisiert. NPN- oder PNP-Bipolartransistoren besitzen analoge Betriebscharakteristika, wobei der Temperatursensor 200 eventuell eine nichtlineare Änderung der Temperatur des Chips sensiert. Da die Transistoren vom NPN- bzw. PNP-Typ relativ große Abmessungen aufweisen, erhöht deren Anwesenheit den Flächenbedarf des betreffenden Halbleiterchips.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Temperatursensors und eines zugehörigen Temperaturdetektionsver fahrens zugrunde, die in der Lage sind, die oben erwähnten Schwierigkeiten des Standes der Technik zu verringern oder zu beseitigen, und insbesondere eine Temperaturerfassung mit vergleichsweise linearem Sensorverhalten ermöglichen, bei gleichzeitig relativ geringem Chipflächenbedarf zur Realisierung des Temperatursensors.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Temperatursensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Temperaturdetektionsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 15.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte herkömmliche Ausführungsbeispiel sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
1 ein Diagramm zur schematischen Darstellung von Temperatureigenschaften üblicher Halbleiterbauelemente,
2 ein Schaltbild eines herkömmlichen Temperatursensors,
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines den Temperatursensor von 2 verwendenden, herkömmlichen Temperaturdetektionsverfahrens,
4 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Temperatursensors,
5 ein Schaltbild einer ersten Vorspanneinheit und eines ersten Ringoszillators für den Temperatursensor von 4,
6 ein Signalverlaufsdiagramm zur Veranschaulichung einer Pulsweite eines ersten Taktsignals des ersten Ringoszillators von 4 in Abhängigkeit von der Temperatur,
7 ein Blockdiagramm eines ersten oder zweiten Demultipliers für den Temperatursensor von 4,
8 ein Blockschaltbild eines ersten oder zweiten Einzelimpulsgenerators für den Temperatursensor von 4,
9 ein Schaltbild einer zweiten Vorspanneinheit und eines zweiten Ringoszillators für den Temperatursensor von 4,
10 ein Signalverlaufsdiagramm zur Veranschaulichung eines Pulsweitenfenstersignals und eines zweiten Taktsignals in Abhängigkeit von der Temperatur beim Temperatursensor von 4,
11 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperaturverhaltens der Periode des ersten Taktsignals des ersten Ringoszillators beim Temperatursensor von 4,
12 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperaturverhaltens der Periode des zweiten Taktsignals des zweiten Ringoszillators beim Temperatursensor von 4 und
13 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Resultaten für einen linearen digitalen Code in Abhängigkeit von der Temperatur aus einer Simulation des Temperatursensors von 4.
In 4 ist ein erfindungsgemäßer Temperatursensor 400 gezeigt, der eine erste Vorspanneinheit (bias unit) 410, einen ersten Ringoszillator 411, einen ersten und einen zweiten Demultiplier (Dividierer) 412 und 413, einen ersten und zweiten Einzelimpulsgenerator (one-shot pulse generator) 414 und 415, eine Pulsweitensteuereinheit 416, eine zweite Vorspanneinheit 420, einen zweiten Ringoszillator 421 und einen Zähler 422 umfasst. Die erste Vorspanneinheit 410 beinhaltet eine temperaturabhängig variable interne Stromstärke. Die erste Vorspanneinheit 410 liefert ein erstes und zweites Vorspannsignal VB1 und VB2 für den ersten Ringoszillator 411 und variiert die Periode eines von letzterem abgegebenen ersten Taktsignals OSC1. In gleicher Weise gibt die zweite Vorspanneinheit 420 ein drittes und viertes Vorspannsignal VB3, VB4 an den zweiten Ringoszillator 421 ab.
Eine vorteilhafte schaltungstechnische Realisierungsmöglichkeit für die erste Vorspanneinheit 410 und den ersten Ringoszillator 411 ist in 5 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Vorspanneinheit 410 einen ersten PMOS-Transistor 511 und einen Widerstand 512, die seriell zwischen eine Versorgungsspannung VCC und eine Massespannung VSS eingeschleift sind. Gate und Drain des ersten PMOS-Transistors 511 sind miteinander verbunden. Des weiteren beinhaltet die erste Vorspanneinheit 410 einen zweiten PMOS-Transistor 513 und einen NMOS-Transistor 514, die seriell zwischen die Versorgungsspannung VCC und die Massespannung VSS eingeschleift sind. Ein Gate des zweiten PMOS-Transistors 513 ist mit einem Gate des ersten PMOS-Transistors 511 gekoppelt, und der erste und der zweite PMOS-Transistor 511, 513 beinhalten einen Stromspiegel. Gate und Drain des NMOS-Transistors 514 sind miteinander verbunden. Am Gate des ersten PMOS-Transistors 511 steht das erste Vorspannsignal VB1 an, und am Gate des NMOS-Transistor 514 steht das zweite Vorspannsignal VB2 an.
In der ersten Vorspanneinheit 410 steigt der Widerstandswert des Widerstands 512 mit zunehmender Temperatur an, so dass der Strom des ersten PMOS-Transistors 511 und des spiegelbildlichen zweiten PMOS-Transistors 513 reduziert wird, wodurch auch der Strom des zum zweiten PMOS-Transistor 513 seriell geschalteten NMOS-Transistors 514 abnimmt. Andererseits nimmt der Widerstandswert des Widerstands 512 mit niedrigerer Temperatur ab, so dass sich der Strom durch den ersten PMOS-Transistor 511, den zweiten PMOS-Transistor 513 und den NMOS-Transistor 514 jeweils erhöht.
Der erste Ringoszillator 411 beinhaltet mehrere seriell geschaltete Verzögerungseinheiten 520, 530, 540, 550 560, denen jeweils das erste und das zweite Vorspannsignal VB1, VB2 zugeführt werden. Die erste Verzögerungseinheit 520 umfasst einen ersten und zweiten PMOS-Transistor 521, 522 sowie einen ersten und zweiten NMOS-Transistor 523, 524, die seriell zwischen die Versorgungsspannung VCC und die Massespannung VSS eingeschleift sind. Ein Gate des ersten PMOS-Transistors 521 ist vom ersten Vorspannsignal VB1 beaufschlagt, während das zweite Vorspannsignal VB2 ein Gate des zweiten NMOS-Transistors 524 beaufschlagt. Gates des zweiten PMOS-Transistors 522 und des ersten NMOS-Transistors 523 sind gemeinsam mit einem Ausgang der letzten Verzögerungseinheit 560 gekoppelt. Drains des zweiten PMOS-Transistor 522 und des ersten NMOS-Transistors 523 sind miteinander verbunden und bilden einen Ausgang der ersten Verzögerungseinheit 520, der mit einem Eingang der nächsten, zweiten Verzögerungseinheit 530 gekoppelt ist.
Die übrigen Verzögerungseinheiten 530 bis 560 sind von gleichartigem Aufbau, wie aus 5 ersichtlich. Der erste PMOS-Transistor 521 jeder Verzögerungseinheit 520 bis 560 ist mit dem ersten PMOS-Transistor 511 der ersten Vorspanneinheit 410 und einem Stromspiegel verbunden. Der zweite NMOS-Transistor 524 der jeweiligen Verzögerungseinheit 520 bis 560 ist mit dem NMOS-Transistor 514 der ersten Vorspanneinheit 410 und einem Stromspiegel verbunden. Nachfolgend wird die Funktionsweise des ersten Ringoszillators 411 in Verbindung mit dem Betrieb der ersten Vorspanneinheit 410 näher erläutert.
Mit steigender Temperatur nehmen die Stromstärken des ersten PMOS-Transistors 511 und des NMOS-Transistors 514 der zweiten Vorspanneinheit 410 ab, und auch die Stromstärken des ersten PMOS-Transistors 521 und des zweiten NMOS-Transistors 524 in jeder der Verzögerungseinheiten 520 bis 560 nehmen ab, so dass die Betriebsgeschwindigkeit jeder Verzögerungseinheit 520 bis 560 reduziert wird und die Verzögerungszeit jeder Verzögerungseinheit 520 bis 560 dementsprechend ansteigt. Mit ansteigender Temperatur erhöhen sich die Stromstärken des ersten PMOS-Transistors 511 und des NMOS-Transistors 514 der zweiten Vorspanneinheit 410, und ebenso erhöhen sich die Stromstärken des ersten PMOS-Transistors 521 und des zweiten NMOS-Transistors 524 jeder Verzögerungseinheit 520 bis 560, so dass sich die Betriebsgeschwindigkeit jeder Verzögerungseinheit 520 bis 560 erhöht und deren Verzögerungszeit dementsprechend reduziert wird.
6 veranschaulicht das temperaturabhängige Verhalten einer Pulsweite des vom ersten Ringoszillator 411 abgegebenen ersten Taktsignals OSC1. Wie aus 6 ersichtlich, hat die Pulsweite des ersten Taktsignals OSC1 bei einer Temperatur von 0°C einen deutlich kleineren Wert A als ein sich bei einer Temperatur von 100°C ergebender Wert.
Wie wieder aus 4 zu erkennen, empfängt der erste Demultiplier 412 das erste Taktsignal OSC1 und teilt die Periode des ersten Taktsignals OSC1 zweifach (X2). 7 veranschaulicht eine vorteilhafte schaltungstechnische Realisierung für den ersten bzw. zweiten Demultiplier 412, 413 von 4 mit einem D-Flip-Flop 700, dem das erste Taktsignal OSC1 als Taktsignal CK zugeführt wird. Das D-Flip-Flop 700 invertiert ein erstes Demultipliersignal bzw. Divisionssignal DIV1 als ein Ausgangssignal an einem Ausgang Q und koppelt das invertierte erste Divisionssignal DIV1 an einen Dateneingang D zurück. Der zweite Demultiplier 413 kann von gleichem Aufbau sein, wobei jedoch in diesem Fall das D-Flip-Flop 700 das erste Demultipliersignal DIV1 des ersten Demultipliers 412 am Taktsignaleingang CK empfängt und ein zweites Demultipliersignal bzw. Divisionssignal DIV2 als Ausgangssignal am Ausgang Q invertiert und das invertierte zweite Demultipliersignal an den Dateneingang D rückkoppelt. Das zweite Demultipliersignal DIV2 ist in seiner Periode gegenüber der Periode des ersten Demultipliersignals DIV1 um den Faktor 2 geteilt und gegenüber der Periode des ersten Taktsignals OSC1 um den Faktor 4 geteilt.
Das erste und das zweite Demultipliersignal DIV1, DIV2 werden basierend auf dem ersten Ringoszillator 411 erzeugt und sind daher oszillierend. Wie wiederum aus 4 ersichtlich, detektiert der erste Einzelimpulsgenerator 414 einen der Pulse des ersten Demultipliersignals DIV1 und erzeugt einen ersten Einzelpuls CSHOT1. Der zweite Einzelimpulsgenerator 415 detektiert einen der Pulse des zweiten Demultipliersignals DIV2 und erzeugt einen zweiten Einzelimpuls CSHOT2.
8 veranschaulicht im Blockschaltbild eine vorteilhafte schaltungstechnische Realisierung des ersten bzw. zweiten Einzelimpulsgenerators 414, 415 von 4. Wie aus 8 ersichtlich, beinhaltet der erste Einzelimpulsgenerator 414 in diesem Fall einen ersten Inverter 801, der ein Rücksetzsignal RESET empfängt und ein invertiertes Rücksetzsignal RESETB abgibt, einen zweiten Inverter 802, der das invertierte Rücksetzsignal RESETB empfängt und ein verzögertes Rücksetzsignal RESETD abgibt, einen dritten Inverter 803, der das erste Demultipliersignal DIV1 empfängt und ein invertiertes erstes Demultipliersignal DIV1B abgibt, sowie einen vierten Inverter 804, der das invertierte erste Demultipliersignal DIV1B empfängt und ein verzögertes erstes Demultipliersignal DIV1D abgibt.
Der erste Einzelimpulsgenerator 414 weist außerdem einen ersten Datenzwischenspeicher 805 auf, der in Reaktion auf das invertierte Rücksetzsignal RESETB und das verzögerte Rücksetzsignal RESETD zurückgesetzt wird und ein Ausgangssignal eines zweiten Datenzwischenspeichers 809 in Reaktion auf das invertierte erste Demultipliersignal DIV1B und das verzögerte erste Demultipliersignal DIV1D zwischenspeichert.
Der erste Einzelimpulsgenerator 414 beinhaltet des weiteren ein erstes NAND-Gatter 806, welches das erste Demultipliersignal DIV1 und ein Ausgangssignal des ersten Datenzwischenspeichers 805 empfängt, einen fünften Inverter 807, der ein Ausgangssignal des ersten NAND-Gatters 806 empfängt und den ersten Einzelimpuls CSHOT1 abgibt, einen sechsten Inverter 808, der den ersten Einzelimpuls CSHOT1 empfängt und einen verzögerten ersten Einzelimpuls CSHOT1D abgibt, und den zweiten Datenzwischenspeicher 809, der in Reaktion auf das invertierte Rücksetzsignal RESETB und das verzögerte Rücksetzsignal RESETD zurückgesetzt wird und die Versorgungsspannung VCC in Reaktion auf den ersten Einzelimpuls CSHOT1 und den verzögerten ersten Einzelimpuls CSHOT1D zwischenspeichert.
Der Einzelimpulsgenerator 414 empfängt das oszillierende erste Demultipliersignal DIV1 und sorgt für eine zweifache Datenzwischenspeicherung, um den ersten Einzelimpuls CSHOT1 zu erzeugen. Der zweite Einzelimpulsgenerator 415 hat den gleichen Aufbau wie der erste Einzelimpulsgenerator 414 und empfängt das oszillierende zweite Demultipliersignal DIV2 und sorgt für eine zweifache Datenzwischenspeicherung, um den zweiten Einzelpuls CSHOT2 zu erzeugen.
Wie weiter aus 4 ersichtlich, erzeugt die Pulsweitensteuereinheit 416 ein Pulsweitenfenstersignal P_WINDOW in Reaktion auf das zugeführte erste und das zugeführte zweite Einzelimpulssignal CSHOT1 und CSHOT2. In entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung kann die Pulsweitensteuereinheit 414 eine logische Schaltung sein, die eine XOR-Verknüpfung des ersten und des zweiten Einzelimpulses CSHOT1, CSHOT2 ausführt.
9 veranschaulicht eine vorteilhafte schaltungstechnische Realisierung für die zweite Vorspanneinheit 420 und den zweiten Ringoszillator 421 von 4. Wie aus 9 ersichtlich, umfasst die zweite Vorspanneinheit 420 in diesem Fall einen ersten PMOS-Transistor 911 und einen ersten NMOS-Transistor 912, die seriell zwischen die Versorgungsspannung VCC und die Massespannung VSS eingeschleift sind. Gate und Drain des ersten NMOS-Transistors 912 sind miteinander verbunden, um das vierte Vorspannsignal VB4 bereitzustellen. Die zweite Vorspanneinheit 420 weist außerdem einen zweiten PMOS-Transistor 913 und einen zweiten und dritten NMOS-Transistor 914, 915 auf, die seriell zwischen die Versorgungsspannung VCC und die Massespannung VSS eingeschleift sind. Gate und Drain des zweiten NMOS-Transistors 913 sind miteinander verbunden, und das Gate des zweiten NMOS-Transistors 913 ist mit einem Gate des ersten PMOS-Transistors 911 verbunden, um das dritte Vorspannsignal VB3 zu erzeugen. Ein Gate des dritten NMOS-Transistors 915 ist mit dem Gate des ersten NMOS-Transistors 912 verbunden.
Die zweite Vorspanneinheit 420 beinhaltet zudem einen dritten PMOS-Transistor 916 und einen vierten NMOS-Transistor 917, die seriell zwischen die Versorgungsspannung VCC und die Massespannung VSS eingeschleift sind. Ein Gate des dritten PMOS-Transistors 916 ist mit dem Gate des ersten PMOS-Transistors 911 verbunden. Gate und Drain des vierten NMOS-Transistors 917 sind miteinander verbunden.
In der zweiten Vorspanneinheit 420 beinhalten der ersten, zweite und dritte PMOS-Transistor 911, 913, 916 einen Stromspiegel, der erste und der dritte NMOS-Transistor 912, 915 beinhalten einen anderen Stromspiegel, und der zweite und vierte NMOS-Transistor 914, 917 beinhalten einen weiteren Stromspiegel. Dabei weist die zweite Vorspanneinheit 420 einen festen Betrag an internem Strom unabhängig von Temperaturänderungen auf.
Der zweite Ringoszillator 421 beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel mehrere seriell geschaltete Verzögerungseinheiten 920, 930, 940, 950, denen jeweils das dritte und das vierte Vorspannsignal VB3, VB4 zugeführt wird. Jede Verzögerungseinheit 920 bis 950 ist von gleichem Aufbau wie die in 5 gezeigte und oben erläuterte erste Verzögerungseinheit 520. Da jede der Verzögerungseinheiten 920 bis 950 mit der zweiten Vorspanneinheit 420 nach Art eines Stromspiegels betrieben wird, besitzt jede Verzögerungseinheit 920 bis 950 einen unabhängig von Temperaturänderungen fixierten Strom. Somit besitzt jede Verzögerungseinheit 920 bis 950 auch eine feste Verzögerungszeit. Der zweite Ringoszillator 421 erzeugt das zweite Taktsignal OSC2 oszillierend, das zur ersten Verzögerungseinheit 920 zurückgeführt wird. Das zweite Taktsignal OSC2 stellt ein Ausgangssignal der letzten Verzögerungseinheit 950 dar und hat eine feste Periodenlänge unabhängig von Temperaturänderungen. Der zweite Ringoszillator 421 kann das zweite Taktsignal OSC2 erzeugen, wenn das von der Pulsweitensteuereinheit 415 erzeugte Pulsweitenfenstersignal P_WINDOW zwecks Reduzierung des Leistungs- bzw. Stromverbrauchs aktiviert wird.
Wieder auf 4 Bezug nehmend empfängt der Zähler 422 das Pulsweitenfenstersignal P_WINDOW und das zweite Taktsignal OSC2 und erzeugt einen Digitalcode Tcode. Der Digitalcode Tcode zeigt die Anzahl an Pulsen des zweiten Taktsignals OSC2 an, die gezählt werden, wenn das Pulsweitenfenstersignal P_WINDOW aktiviert ist. 10 veranschaulicht das Temperaturverhalten des Pulsweitenfenstersignals P_WINDOW und des zweiten Taktsignals OSC2. Gemäß 10 besitzt das zweite Taktsignal OSC2 drei Impulse in dem Zeitraum, in welchem bei einer Temperatur von 0°C das Pulsweitenfenstersignal P_WINDOW aktiviert ist, während das zweite Taktsignal OSC2 bei einer Temperatur von 100°C dreizehn Impulse in dem Zeitraum aufweist, in welchem das Pulsweitenfenstersignal P_WINDOW aktiviert ist. Die Anzahl an durch den Zähler 422 erzeugten Digitalcodes Tcode entspricht der Anzahl von Pulsen des zweiten Taktsignals OSC2. Somit zählt der erfindungsgemäße Temperatursensor 400 Impulse des zweiten Taktsignals OSC2, wenn das mit Hilfe des ersten Taktsignals OSC1 erzeugte Pulsweitenfenstersignal P_WINDOW aktiviert ist und dabei das erste Taktsignal OSC1 des ersten Ringoszillators 411 mit variabler, temperaturabhängiger Pulsweite und das zweite Taktsignal OSC2 des zweiten Ringoszillators 421 mit einer temperaturunabhängig festen Pulsweite aktiviert sind. Der Temperatursensor 400 zeigt eine sensierte Temperatur unter Verwendung des gezählten Digitalcodes Tcode an, wobei die sensierte Temperatur ein lineares Verhalten besitzt.
Die 11 bis 13 veranschaulichen in Diagrammform Resultate, wie sie durch Simulation eines Ausführungsbeispiels des Temperatursensors 400 gemäß 4 erhalten wurden. Speziell veranschaulicht 11 Änderungen bzw. den Verzögerungszeitverlauf einer Periode des ersten Taktsignals OSC1 des ersten Ringoszillators 411 in Abhängigkeit von der Temperatur. 12 veranschaulicht in Diagrammform Änderungen bzw. einen Verzögerungszeitverlauf der Periode des zweiten Taktsignals OSC2 des zweiten Ringoszillators 412 in Abhängigkeit von der Temperatur. Dabei ist in 11 die y-Zeitachse in Einheiten von Mikrosekunden (μs) abgetragen, während in 12 die y-Zeitachse in Einheiten von Nanosekunden (ns) abgetragen ist. 13 zeigt speziell einen er haltenen linearen Digitalcode Tcode in Abhängigkeit von der Temperatur.

Claims

Temperatursensor, gekennzeichnet durch – erste Taktsignalerzeugungsmittel (411) zur Erzeugung eines ersten Taktsignals (OSC1) mit einer temperaturabhängig variablen Taktsignalperiode, – zweite Taktsignalerzeugungsmittel (421) zur Erzeugung eines zweiten Taktsignals (OSC2) mit temperaturunabhängiger Taktsignalperiode und – Temperaturcodeerzeugungsmittel (422) zur Erzeugung einer Temperaturcodeinformation (Tcode) durch Abzählen von Taktimpulsen des zweiten Taktsignals während einer durch das erste Taktsignal bestimmten, temperaturabhängig variablen Zeitdauer.
Temperatursensor nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass – die ersten Taktsignalerzeugungsmittel einen ersten Impulsgenerator mit einem ersten Ringoszillator (411) beinhalten, der das erste Taktsignal rückkoppelt und das erste Taktsignal in Reaktion auf Vorspannsignale (VB1, VB2) und das rückgekoppelte erste Taktsignal abgibt, und/oder – die zweiten Taktsignalerzeugungsmittel einen zweiten Impulsgenerator mit einem zweiten Ringoszillator (421) aufweisen, der das zweite Taktsignal rückkoppelt und das zweite Taktsignal in Reaktion auf Vorspannsignale (VB3, VB4) und das rückgekoppelte zweite Taktsignal abgibt.
Temperatursensor nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch – eine erste Vorspanneinheit (410), welche ein erstes und zweites Vorspannsignal (VB1, VB2) für den ersten Ringos zillator erzeugt und einen temperaturabhängig variablen internen Strom bereitstellt, – eine zweite Vorspanneinheit (420), welche ein drittes und viertes Vorspannsignal (VB3, VB4) für den zweiten Ringoszillator erzeugt und einen temperaturunabhängigen internen Strom bereitstellt und – einen Einzelimpulsgenerator (414, 415) zur Impulszwischenspeicherung des ersten Taktsignals und Erzeugung eines Einzeimpulses (CSHOT1, CSHOT2), – wobei die Temperaturcodeerzeugungsmittel einen Temperaturcodegenerator (422) zum Erfassen einer Breite des Einzelimpulses durch Abzählen von Impulsen des zweiten Taktsignals und zur entsprechenden Erzeugung der Temperaturcodeinformation beinhalten.
Temperatursensor nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch – eine erste Vorspanneinheit (410), welche ein erstes und zweites Vorspannsignal (VB1, VB2) für den ersten Ringoszillator erzeugt und einen temperaturabhängig variablen internen Strom bereitstellt, – eine zweite Vorspanneinheit (420), welche ein drittes und viertes Vorspannsignal (VB3, VB4) für den zweiten Ringoszillator erzeugt und einen temperaturunabhängigen internen Strom bereitstellt, – einen ersten Demultiplier (412) zum Dividieren des ersten Taktsignals und Erzeugen eines ersten Demultipliersignals (DIV1), – einen zweiten Demultiplier (413) zum Dividieren des ersten Demultipliersignals und Erzeugen eines zweiten Demultipliersignals (DIV2), – einen ersten Einzelimpulsgenerator (414) zur Impulszwischenspeicherung des ersten Demultipliersignals und Erzeugung eines ersten Einzelimpulssignals (CSHOT1), – einen zweiten Einzelimpulsgenerator (415) zur Impulszwischenspeicherung des zweiten Demultipliersignals und Erzeugung eines zweiten Einzelimpulssignals (CSHOT2) und – eine Pulsweitensteuereinheit (416), der das erste und zweite Einzelimpulssignal zugeführt werden und die daraus ein Pulsweitenfenstersignal (P_WINDOW) erzeugt, – wobei die Temperaturcodeerzeugungsmittel einen Temperaturcodegenerator (422) beinhalten, der eine Impulsbreite des Pulsweitenfenstersignals durch Abzählen von Impulsen des zweiten Taktsignals erfasst und davon abhängig die Temperaturcodeinformation erzeugt.
Temperatursensor nach Anspruch 3 oder 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorspanneinheit (410) folgende Elemente enthält: – einen ersten PMOS-Transistor (512), dessen Gate und Drain miteinander verbunden sind und dessen Source an eine Versorgungsspannung (VCC) angeschlossen ist, – einen Widerstand (512), der zwischen die Drain des ersten PMOS-Transistors und eine Massespannung (VSS) eingeschleift ist, – einen zweiten PMOS-Transistor (513), dessen Source mit der Versorgungsspannung verbunden ist und dessen Gate mit dem Gate des ersten PMOS-Transistors verbunden ist, um das erste Vorspannsignal (VB1) zu erzeugen, und – einen NMOS-Transistor (514), der mit seinem Gate und seiner Drain mit einer Drain des zweiten PMOS-Transistors verbunden ist, um das zweite Vorspannsignal (VB2) zu er zeugen, und mit seiner Source an die Massespannung angeschlossen ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringoszillator (411) mehrere seriell geschaltete Verzögerungseinheiten (520 bis 560) aufweist, die das erste Taktsignal zurückkoppeln und das erste Taktsignal in Reaktion auf das erste und das zweite Vorspannsignal (VB1, VB2) und das zurückgekoppelte erste Taktsignal abgeben.
Temperatursensor nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Verzögerungseinheit (520 bis 560) folgende Elemente enthält: – einen ersten PMOS-Transistor (521), dessen Source an die Versorgungsspannung angeschlossen ist und dessen Gate vom ersten Vorspannsignal beaufschlagt ist, – einen zweiten PMOS-Transistor (522), dessen Source mit einer Drain des ersten PMOS-Transistors verbunden ist und dessen Gate mit einem Ausgang einer vorherigen Verzögerungseinheit oder mit einem Ausgang einer letzten Verzögerungseinheit verbunden ist, – einen ersten NMOS-Transistor (523), dessen Drain mit einer Drain des zweiten PMOS-Transistors verbunden ist, um ein Ausgangssignal der Verzögerungseinheit bereitzustellen, und dessen Gate mit dem Gate des zweiten PMOS-Transistors verbunden ist, und – einen zweiten NMOS-Transistor (524), dessen Drain mit einer Source des ersten NMOS-Transistors verbunden ist, dessen Gate mit dem zweiten Vorspannsignal (VB2) beaufschlagt ist und dessen Source an die Massespannung angeschlossen ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorspanneinheit (420) folgende Elemente enthält: – einen ersten PMOS-Transistor (911), der mit einer Source an eine Versorgungsspannung (VCC) angeschlossen ist, – einen ersten NMOS-Transistor (912), der mit einem Gate und einer Drain mit einer Drain des ersten PMOS-Transistors verbunden ist und mit einer Source an eine Massespannung (VSS) angeschlossen ist, – einen zweiten PMOS-Transistor (913), dessen Source an die Versorgungsspannung angeschlossen ist und dessen Gate und Drain miteinander verbunden sind, – einen zweiten NMOS-Transistor (914), dessen Source mit der Drain des zweiten PMOS-Transistors verbunden ist, – einen dritten NMOS-Transistor (915), dessen Drain mit einer Drain des zweiten NMOS-Transistors verbunden ist, dessen Gate mit dem Gate des ersten NMOS-Transistors verbunden ist, um das vierte Vorspannsignal (VB4) bereitzustellen, und dessen Source an die Massespannung angeschlossen ist, – einen dritten PMOS-Transistor (916), dessen Source an die Versorgungsspannung angeschlossen ist und dessen Gate mit dem Gate des zweiten PMOS-Transistors verbunden ist, um das dritte Vorspannsignal (VB3) bereitzustellen, und – einen vierten NMOS-Transistor (917), dessen Gate und Drain mit einer Drain des dritten PMOS-Transistors und einem Gate des zweiten NMOS-Transistors verbunden sind und dessen Source an die Massespannung angeschlossen ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ringoszillator mehrere seriell geschaltete Verzögerungseinheiten (920 bis 950) beinhaltet, die das zweite Taktsignal (OSC2) zurückkoppeln und das zweite Taktsignal in Reaktion auf das dritte und vierte Vorspannsignal (VB3, VB4) und das zurückgekoppelte zweite Taktsignal abgeben.
Temperatursensor nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungseinheiten (920 bis 950) durch das Einzelimpulssignal oder ein daraus abgeleitetes Signal freigegeben werden.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Demultiplier (412) ein D-Flip-Flop (700) aufweist, dem das erste Taktsignal an einem Taktsignaleingang zugeführt wird und welches das erste Demultipliersignal an einem Ausgang abgibt und das invertierte erste Demultipliersignal an einen Dateneingang rückkoppelt.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 3 bis 11, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einzelimpulsgenerator (414) folgende Elemente enthält: – einen ersten Inverter (801) zum Invertieren eines zugeführten Rücksetzsignals (RESET), – einen zweiten Inverter (802), dem das invertierte Rücksetzsignal zugeführt wird und der daraus ein verzögertes Rücksetzsignal (RESETD) abgibt, – einen dritten Inverter (803) zum Invertieren des ersten Taktsignals oder ersten Demultipliersignals, – einen vierten Inverter (804), dem das invertierte erste Taktsignal oder Demultipliersignal zugeführt wird und der daraus ein verzögertes erstes Taktsignal oder Demultipliersignal (DIVID) abgibt, – einen ersten Datenzwischenspeicher (805), der in Reaktion auf das invertierte Rücksetzsignal und das verzögerte Rücksetzsignal zurückgesetzt wird und ein Ausgangssignal eines zweiten Datenzwischenspeichers (809) in Reaktion auf das invertierte erste Taktsignal oder Demultipliersignal und das verzögerte erste Taktsignal oder Demultipliersignal zwischenspeichert, – ein erstes NAND-Gatter (806), dem das erste Taktsignal oder Demultipliersignal und ein Ausgangssignal des ersten Datenzwischenspeichers zugeführt werden, – einen fünften Inverter (807) zum Invertieren eines Ausgangssignals des ersten NAND-Gatters, um das Einzelimpulssignal oder erste Einzelimpulssignal abzugeben, – einen sechsten Inverter (808), dem das Einzelimpulssignal oder erste Einzelimpulssignal zugeführt wird, um ein verzögertes Einzelimpulssignal oder erstes Einzelimpulssignal bereitzustellen, und – den zweiten Datenzwischenspeicher (809), der in Reaktion auf das invertierte Rücksetzsignal und das verzögerte Rücksetzsignal zurückgesetzt wird und eine Versorgungsspannung (VCC) in Reaktion auf das Einzelimpulssignal oder erste Einzelimpulssignal und das verzögerte Einzelimpulssignal oder erste Einzelimpulssignal zwischenspeichert.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 4 bis 12, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Demultipliereinheit (413) ein D-Flip-Flop (700) aufweist, dem das erste Demultipliersignal (DIV1) an einem Taktsignaleingang zugeführt wird und welches am Ausgang das zweite Demultipliersignal (DIV2) bereitstellt und das invertierte zweite Demultipliersignal an einen Dateneingang zurückkoppelt.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 4 bis 13, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einzelimpulsgenerator (415) folgende Elemente enthält: – einen ersten Inverter (801) zum Invertieren eines zugeführten Rücksetzsignals (RESET), – einen zweiten Inverter (802), dem das invertierte Rücksetzsignal zugeführt wird und der ein verzögertes Rücksetzsignal (RESETD) abgibt, – einen dritten Inverter (803), dem das zweite Demultipliersignal (DIV2) zugeführt wird und der ein invertiertes zweites Demultipliersignal abgibt, – einen vierten Inverter (804), dem das invertierte zweite Demultipliersignal zugeführt wird und der ein verzögertes zweites Demultipliersignal (DIVID) abgibt, – einen ersten Datenzwischenspeicher (805), der in Reaktion auf das invertierte Rücksetzsignal und das verzögerte Rücksetzsignal zurückgesetzt wird und ein Ausgangssignal eines zweiten Datenzwischenspeichers (809) in Reaktion auf das invertierte zweite Demultipliersignal und das verzögerte zweite Demultipliersignal zwischenspeichert, – ein erstes NAND-Gatter (806), dem das zweite Demultipliersignal und ein Ausgangssignal des ersten Datenzwischenspeichers zugeführt werden, – einen fünften Inverter (807), dem ein Ausgangssignal des ersten NAND-Gatters zugeführt wird und der das zweite Einzelimpulssignal abgibt, – einen sechsten Inverter (808), dem das zweite Einzelimpulssignal zugeführt wird und der ein verzögertes zweites Einzelimpulssignal (CSHOTID) abgibt, und – einen sechsten Inverter (808), dem das zweite Einzelimpulssignal zugeführt wird und der ein verzögertes zweites Einzelimpulssignal (CSHOTID) abgibt, und – den zweiten Datenzwischenspeicher (809), der in Reaktion auf das invertierte Rücksetzsignal und das verzögerte Rücksetzsignal zurückgesetzt wird und eine Versorgungsspannung (VCC) in Reaktion auf das zweite Einzelimpulssignal und das verzögerte zweite Einzelimpulssignal zwischenspeichert.
Temperaturdetektionsverfahren mit folgenden Schritten: – Erzeugen eines ersten Taktsignals (OSC1) mit temperaturabhängig variabler Taktsignalperiode, – Erzeugen eines zweiten Taktsignals (OSC2) mit temperaturunabhängiger Taktsignalperiode, – Ermitteln einer Pulsbreite des ersten Taktsignals oder eines daraus abgeleiteten Signals durch Abzählen von Impulsen des zweiten Taktsignals oder eines daraus abgeleiteten Signals und – Erzeugen einer Temperaturcodeinformation (Tcode) in Reaktion auf die abgezählte Impulsbreite des ersten Taktsignals.
Temperaturdetektionsverfahren nach Anspruch 15, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des ersten Taktsignals ein Leiten von Strom über einen Widerstand beinhaltet, der einen temperaturabhängigen Widerstandswert aufweist.
Temperaturdetektionsverfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei – das erste Taktsignal zur Erzeugung eines ersten Demultipliersignals (DIV1) einer Demultiplieroperation unterzogen wird, – ein Impuls des ersten Demultipliersignals zwischengespeichert und ein erstes Einzelimpulssignal (CSHOT1) erzeugt wird, – das erste Demultipliersignal einer Demultiplieroperation unterzogen und ein zweites Demultipliersignal (DIV2) erzeugt wird, – ein Impuls des zweiten Demultipliersignals zwischengespeichert und ein zweites Einzelimpulssignal (CSHOT2) erzeugt wird, – aus dem ersten und zweiten Einzelimpulssignal ein Pulsbreitenfenstersignal (P_WINDOW) erzeugt wird und – eine Impulsbreite des Pulsbreitenfenstersignals durch Abzählen von Impulsen des zweiten Taktsignals ermittelt wird, um die Temperaturcodeinformation zu erzeugen.
Temperaturdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Taktsignal durch Ringoszillatormittel (411, 421) erzeugt werden.