DE102013101490B4

DE102013101490B4 - Schaltkreis und Verfahren zum Fühlen einer physikalischen Quantität, Oszillatorschaltkreis, Smartcard und Temperaturfühlerschaltkreis

Info

Publication number: DE102013101490B4
Application number: DE201310101490
Authority: DE
Inventors: Uwe Weder; Korbinian Engl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: DE102013101490A1; CN103258226A; CN103258226B; US20130208763A1; US8979362B2

Abstract

Ein Schaltkreis (100) zum Fühlen einer physikalischen Quantität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen ersten Oszillatorschaltkreis (110-1), der dafür konfiguriert ist, ein erstes Taktsignal (CS1) bereitzustellen, das eine erste Frequenz beinhaltet, die von der physikalischen Quantität abhängig ist, und einen zweiten Oszillatorschaltkreis (110-2), der dafür konfiguriert ist, ein zweites Taktsignal (CS2) bereitzustellen, das eine zweite Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist. Der Schaltkreis (100) beinhaltet außerdem einen Frequenzkomparatorschaltkreis (120), der dafür konfiguriert ist, ein Frequenzsignal bereitzustellen, das die physikalische Quantität anzeigt, wobei das Frequenzsignal auf der ersten und der zweiten Frequenz basiert, wobei der erste und der zweite Oszillatorschaltkreis (110) dafür konfiguriert sind, das erste (CS1) und das zweite (CS2) Taktsignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität eine Frequenz der ersten und der zweiten Frequenz zunimmt, während die andere der ersten bzw. der zweiten Frequenz abnimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen einen Schaltkreis und ein Verfahren zum Fühlen einer physikalischen Quantität, einen Oszillatorschaltkreis, eine Smartcard und einen Temperaturfühlerschaltkreis.
HINTERGRUND
In vielen Anwendungen ist das Fühlen einer physikalischen Quantität, wie zum Beispiel einer Temperatur, nützlich und manchmal sogar notwendig. Dafür gibt es eine Vielzahl denkbarer Gründe. Zum Beispiel kann das Fühlen einer Temperatur außerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs einen ungewünschten Zustand eines Systems darstellen. Eine solche Temperatur kann zum Beispiel durch eine Fehlfunktion des Systems oder eine Verzerrung oder Abweichung der Umgebungsbedingungen von ihren spezifizierten Toleranzen verursacht werden. Zum Beispiel kann im Fall eines integrierten Schaltkreises das Fühlen einer Temperaturüberschreitung jenseits eines vorgegebenen Temperaturbereichs anzeigen, dass das System zu viel Wärme erzeugt oder dass die erzeugte Wärme nicht richtig abgeführt werden kann.
In einigen Anwendungen kann eine solche Abweichung von einem spezifizierten Temperaturbereich auch einen Versuch anzeigen, die Systemsicherheit zu durchbrechen oder das System zu manipulieren.
Das Gleiche kann auch für andere physikalische Quantitäten gelten.
Herkömmlicherweise arbeitet ein Sensor in der Regel mit einem Sensorelement, das die zu messende physikalische Quantität in ein elektrisches Signal umwandelt, das dann mit einem festen, vorgegebenen Signal verglichen wird, das eine konstante Eigenschaft aufweist.
Jedoch stellt ein solches festes, vorgegebenes Signal oftmals eine signifikante Herausforderung dar, da sich eine Signalquelle für ein solches Signal in der Regel auf einen spezifischen physikalischen Effekt stützt, der wiederum von intrinsischen Materialeigenschaften oder extrinsischen Parametern wie zum Beispiel Form, Abmessungen oder dergleichen abhängt.
Um den physikalischen Effekt zu nutzen, wird die Signalquelle in der Regel in einer Regelkreiskonfiguration angesteuert, um das feste, vorgegebene Signal aufrechtzuerhalten. Es kann jedoch ratsam oder manchmal sogar notwendig sein, weitere Schaltungen und Komponenten zu implementieren, um Drifts und andere Verzerrungen von Betriebsparametern auszugleichen.
Die US 7,831,873 B1 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren plötzlicher Temperatur-/Spannungsänderungen in einer integrierten Schaltung, bei der ein temperatur- bzw. parameterunabhängiger Oszillator verwendet wird. Die US 7,592,876 B2 bezieht sich auf eine schwundoszillatorbasierte Alterungsüberwachung. Die DE 24 29 440 C3 bezieht sich auf ein Messsystem mit einem Messewertumformer, bei dem ein Oszillator einen Strom mit einer festen Frequenz einspeist.
In einigen Anwendungen erfordert der physikalische Effekt die Implementierung einer spezifischen Struktur, die sich in bestimmten Umgebungen möglicherweise nur schwer umsetzen lässt. Beides kann dazu führen, dass zusätzliche Schaltungen oder komplexe Strukturen integriert werden müssen.
Darum besteht Bedarf an einer Infrastruktur zum Fühlen einer physikalischen Quantität mit einer verringerten Komplexität. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Infrastruktur zum Fühlen einer physikalischen Quantität mit einer verringerten Komplexität bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Schaltkreis zum Fühlen einer physikalischen Quantität nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Fühlen einer physikalischen Quantität nach Anspruch 12 oder einen Oszillatorschaltkreis nach Anspruch 13 gelöst.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Schaltkreis zum Fühlen einer physikalischen Quantität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen ersten Oszillatorschaltkreis, der dafür betreibbar ist, ein erstes Taktsignal bereitzustellen, das eine erste Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist. Der Schaltkreis umfasst des Weiteren einen zweiten Oszillatorschaltkreis, der dafür betreibbar ist, ein zweites Taktsignal bereitzustellen, das eine zweite Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist, und einen Frequenzkomparatorschaltkreis, der dafür betreibbar ist, ein Frequenzsignal bereitzustellen, das die physikalische Quantität anzeigt. Das Frequenzsignal basiert auf der ersten und der zweiten Frequenz. Der erste und der zweite Oszillatorschaltkreis sind des Weiteren dafür betreibbar, das erste und das zweite Taktsignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität eine Frequenz der ersten und der zweiten Frequenz zunimmt, während die andere Frequenz der ersten und der zweiten Frequenz abnimmt.
Durch die Verwendung eines Schaltkreises zum Fühlen einer physikalischen Quantität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, die Komplexität zu verringern, indem man zwei Oszillatorschaltkreise verwendet, die jeweils eine ausgeprägte Frequenzabhängigkeit von der physikalischen Quantität besitzen. Da sich die Frequenzabhängigkeiten in der oben beschriebenen Weise voneinander unterscheiden, kann in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das zweite Taktsignal dafür verwendet werden, Informationen über die physikalische Quantität zu übermitteln, anstatt nur eine stabilisierte Zeitbasis bereitzustellen, indem ein festes, vorgegebenes Bezugssignal ausgegeben wird.
Optional kann in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der erste Oszillatorschaltkreis und/oder der zweite Oszillatorschaltkreis dafür konfiguriert sein, das erste Taktsignal bzw. das zweite Taktsignal dergestalt bereitzustellen, dass sich die jeweilige Frequenz im Wesentlichen nicht-linear mit der physikalischen Quantität ändert.
Optional kann in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Frequenzkomparatorschaltkreis dafür konfiguriert sein, das Frequenzsignal dergestalt bereitzustellen, dass es ein Verhältnis der Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz anzeigt.
Optional kann in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Frequenzkomparatorschaltkreis dafür konfiguriert sein, das Frequenzsignal auf der Grundlage des Zählens einer Anzahl von Flanken von einem des ersten Taktsignals und des zweiten Taktsignals während eines Zeitraums bereitzustellen, wobei der Zeitraum von einer vorgegebenen Anzahl von Flanken des anderen des ersten Taktsignals bzw. des zweiten Taktsignals abhängig ist.
Optional kann in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Frequenzkomparatorschaltkreis so konfiguriert sein, dass die vorgegebene Anzahl eine feste ganze Zahl oder eine programmierbare ganze Zahl ist.
Optional kann ein Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform des Weiteren einen Evaluierungsschaltkreis umfassen, der dafür konfiguriert ist, das Frequenzsignal zu empfangen und als Reaktion darauf ein Statussignal auszugeben, wenn das Frequenzsignal eine vorgegebene Bedingung erfüllt.
Optional kann in einem solchen Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Evaluierungsschaltkreis so konfiguriert sein, dass die vorgegebene Bedingung fest oder programmierbar ist.
Optional kann in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Frequenzkomparatorschaltkreis dafür konfiguriert sein, das Frequenzsignal dergestalt bereitzustellen, dass es ein Verhältnis der Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz anzeigt. Der Evaluierungsschaltkreis kann des Weiteren dergestalt konfiguriert sein, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wenn das Verhältnis eine erste vorgegebene Schwelle übersteigt oder kleiner als eine zweite vorgegebene Schwelle ist.
Optional kann in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Fühlerschaltkreis auf einem einzelnen, monolithischen integrierten Schaltkreis implementiert werden.
Optional kann in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform die physikalische Quantität eine Temperatur sein.
Optional umfasst in einem Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der erste Oszillatorschaltkreis und/oder der zweite Oszillatorschaltkreis einen Oszillationsgenerator, der dafür konfiguriert ist, ein Taktsignal bereitzustellen, wobei der Oszillationsgenerator Folgendes umfasst: einen Komparator, eine Stromquelle, die mit einem ersten Eingang des Komparators gekoppelt ist und die dafür konfiguriert ist, einen Strom bereitzustellen, der eine Kapazität mindestens teilweise lädt oder entlädt, wobei die Größenordnung des Stroms von der physikalischen Quantität abhängt, und einen Bezugssignalschaltkreis, der mit einem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, ein Bezugssignal bereitzustellen, wobei die Größenordnung des Bezugssignals von der physikalischen Quantität abhängt, wobei die Stromquelle und der Bezugssignalschaltkreis dafür konfiguriert sind, den Strom bzw. das Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität die Größenordnung des Stroms oder des Bezugssignals zunimmt, während die andere Größenordnung des Stroms bzw. des Bezugssignals abnimmt.
Ein Verfahren zum Fühlen einer physikalischen Quantität gemäß einer Ausführungsform umfasst Folgendes: Bereitstellen eines ersten Taktsignals, das eine erste Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist, Bereitstellen eines zweiten Taktsignals, das eine zweite Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist, Bestimmen eines Verhältnisses der Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz, und Bereitstellen eines Frequenzsignals, das die physikalische Quantität anzeigt, wobei das Frequenzsignal auf dem bestimmten Verhältnis der Frequenzwerte basiert, wobei das erste Taktsignal und das zweite Taktsignal dergestalt bereitgestellt werden, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität entweder die erste Frequenz oder die zweite Frequenz zunimmt, während die andere der ersten Frequenz bzw. der zweiten Frequenz abnimmt.
Ein Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Oszillationsgenerator, der dafür betreibbar ist, ein Taktsignal bereitzustellen. Der Oszillationsgenerator umfasst einen Komparator mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang. Der Oszillatorschaltkreis umfasst des Weiteren eine Stromquelle, die mit dem ersten Eingang des Komparators gekoppelt ist und die dafür betreibbar ist, einen Strom bereitzustellen. Die Größenordnung des Stroms ist von der physikalischen Quantität abhängig. Der Oszillatorschaltkreis umfasst des Weiteren einen Bezugssignalschaltkreis, der mit dem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt ist und der dafür betreibbar ist, ein Bezugssignal bereitzustellen, dessen Größenordnung ebenfalls von der physikalischen Quantität abhängt. Die Stromquelle und der Bezugssignalschaltkreis sind dafür betreibbar, den Strom bzw. das Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität die Größenordnung des Stroms oder des Bezugssignals zunimmt, während die andere Größenordnung des Stroms bzw. des Bezugssignals abnimmt.
Durch die Verwendung eines Oszillatorschaltkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es auch möglich sein, die Komplexität eines solchen Schaltkreises zu verringern, indem man die Stromquelle und den Bezugssignalschaltkreis verwendet, welche die beschriebenen Abhängigkeiten von der physikalischen Quantität besitzen. Oder anders ausgedrückt: Anstatt die Größenordnung der Stromquelle mit einem festen Strom oder einer festen Spannung zu vergleichen, verwendet ein Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Bezugssignalschaltkreis, der selbst eine ausgeprägte Abhängigkeit von der physikalischen Quantität besitzt und darum Informationen über die physikalische Quantität transportiert. Daher kann auf eine Infrastruktur verzichtet werden, die notwendig ist, um ein festes und konstantes Bezugssignal bereitzustellen.
Ein Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform kann Folgendes umfassen: einen Oszillationsgenerator, der dafür konfiguriert ist, ein Taktsignal bereitzustellen, wobei der Oszillationsgenerator einen Komparator umfasst; eine Stromquelle, die mit einem ersten Eingang des Komparators gekoppelt ist und die dafür konfiguriert ist, einen Strom bereitzustellen, wobei die Größenordnung des Stroms von der physikalischen Quantität abhängt; und einen Bezugssignalschaltkreis, der mit einem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, ein Bezugssignal bereitzustellen, wobei die Größenordnung des Bezugssignals von der physikalischen Quantität abhängt, wobei die Stromquelle und der Bezugssignalschaltkreis dafür konfiguriert sind, den Strom bzw. das Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität die Größenordnung des Stroms oder des Bezugssignals zunimmt, während die andere Größenordnung des Stroms bzw. des Bezugssignals abnimmt.
Optional kann in einem Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Oszillationsgenerator des Weiteren einen Kondensator umfassen. Die Stromquelle kann dergestalt mit dem Kondensator gekoppelt sein, dass die Stromquelle dafür konfiguriert ist, den Kondensator zu laden oder zu entladen.
Optional kann in einem Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Oszillationsgenerator des Weiteren einen Transistor mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem Steuerungsanschluss umfassen, wobei der erste Anschluss mit der Stromquelle und dem Kondensator gekoppelt ist, der zweite Anschluss mit einem Versorgungsspannungsanschluss gekoppelt ist und der Steuerungsanschluss mit einem Ausgang des Komparators gekoppelt ist.
Optional kann in einem Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Oszillationsgenerator des Weiteren einen Treiberschaltkreis umfassen, der zwischen dem Ausgang des Komparators und dem Steuerungseingang des Transistors gekoppelt ist.
Optional kann in einem Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Oszillationsgenerator des Weiteren einen Flipflop umfassen, der mit dem Ausgang des Komparators gekoppelt ist, wobei der Flipflop dafür konfiguriert ist, zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umzuschalten, wenn ein Signal mit einer vorgegebenen Flanke in den Flipflop eingespeist wird.
Optional können in einem Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform die Stromquelle und/oder der Bezugssignalschaltkreis dafür konfiguriert sein, den Strom oder das Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass sich die Größenordnung linear oder umgekehrt linear mit der physikalischen Quantität ändert.
Optional kann in einem Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Bezugssignalschaltkreis eine weitere Stromquelle und einen Widerstand umfassen, wobei der Bezugssignalschaltkreis dafür konfiguriert ist, Spannung in den zweiten Eingang des Komparators einzuspeisen.
Optional kann in einem Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform die physikalische Quantität eine Temperatur sein.
Optional kann in einem Oszillatorschaltkreis gemäß einer Ausführungsform die Stromquelle auf einer Proportional-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle basieren, und der Bezugssignalschaltkreis basiert auf einer Komplementär-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle. Zusätzlich oder alternativ kann die Stromquelle auf einer Komplementär-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle basieren, und der Bezugssignalschaltkreis basiert auf einer Proportional-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle.
Eine Smartcard gemäß einer Ausführungsform umfasst einen ersten Oszillatorschaltkreis, der dafür konfiguriert ist, ein erstes Taktsignal bereitzustellen, das eine erste Frequenz umfasst, die von einer physikalischen Quantität abhängig ist, einen zweiten Oszillatorschaltkreis, der dafür konfiguriert ist, ein zweites Taktsignal bereitzustellen, das eine zweite Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist, einen Frequenzkomparatorschaltkreis, der dafür konfiguriert ist, ein Frequenzsignal bereitzustellen, das die physikalische Quantität anzeigt, wobei das Frequenzsignal auf der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz basiert, und einen Evaluierungsschaltkreis, der dafür konfiguriert ist, das Frequenzsignal zu empfangen, wobei der Evaluierungsschaltkreis des Weiteren dafür konfiguriert ist, das Frequenzsignal mit einer vorgegebenen Bedingung zu vergleichen und ein Statussignal auszugeben, wenn das Frequenzsignal die vorgegebene Bedingung erfüllt, wobei der erste und der zweite Oszillatorschaltkreis dafür konfiguriert sind, das erste Taktsignal und das zweite Taktsignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität entweder die erste Frequenz oder die zweite Frequenz zunimmt, während die andere der ersten Frequenz bzw. der zweiten Frequenz abnimmt.
Optional kann eine Smartcard gemäß einer Ausführungsform des Weiteren einen Gegenmaßnahmenschaltkreis umfassen, wobei der Gegenmaßnahmenschaltkreis dafür konfiguriert ist, das Statussignal zu empfangen und bei Empfang des Statussignals eine Gegenmaßnahme einzuleiten.
Optional kann in einer solchen Smartcard gemäß einer Ausführungsform der Gegenmaßnahmenschaltkreis so konfiguriert sein, dass die eingeleitete Gegenmaßnahme mindestens eine aus einer Gruppe von Gegenmaßnahmen ist, wobei die Gruppe von Gegenmaßnahmen Folgendes umfasst: Einleiten einer Sicherheitsrücksetzung der Smartcard, Verringern eines Spannungspegels, und Verringern einer Frequenz eines Betriebstaktsignals.
Ein Temperaturfühlerschaltkreis gemäß einer Ausführungsform kann einen ersten Oszillatorschaltkreis umfassen, der einen ersten Oszillationsgenerator umfasst, der dafür konfiguriert ist, ein erstes Taktsignal bereitzustellen, wobei das erste Taktsignal eine erste Frequenz umfasst, wobei der erste Oszillationsgenerator Folgendes umfasst: einen ersten Komparator, eine erste Stromquelle, die mit einem ersten Eingang des ersten Komparators gekoppelt ist und die dafür konfiguriert ist, einen ersten Strom bereitzustellen, wobei die Größenordnung des ersten Stroms von der Temperatur abhängig ist, und einen ersten Bezugssignalschaltkreis, der mit einem zweiten Eingang des ersten Komparators gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, ein erstes Bezugssignal bereitzustellen, wobei die Größenordnung des ersten Bezugssignals von der Temperatur abhängig ist, wobei die erste Stromquelle dafür konfiguriert ist, den ersten Strom dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der Temperatur die Größenordnung des ersten Stroms zunimmt, wobei der erste Bezugssignalschaltkreis dafür konfiguriert ist, das erste Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der Temperatur die Größenordnung des ersten Bezugssignals abnimmt. Der Temperaturfühlerschaltkreis kann des Weiteren einen zweiten Oszillatorschaltkreis umfassen, der einen zweiten Oszillationsgenerator umfasst, der dafür konfiguriert ist, ein zweites Taktsignal bereitzustellen, wobei das zweite Taktsignal eine zweite Frequenz umfasst, wobei der zweite Oszillationsgenerator Folgendes umfasst: einen zweiten Komparator, eine zweite Stromquelle, die mit einem ersten Eingang des zweiten Komparators gekoppelt ist und die dafür konfiguriert ist, einen zweiten Strom bereitzustellen, wobei die Größenordnung des zweites Stroms von der Temperatur abhängig ist, und einen zweiten Bezugssignalschaltkreis, der mit einem zweiten Eingang des zweiten Komparators gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, ein zweites Bezugssignal bereitzustellen, wobei die Größenordnung des zweiten Bezugssignals von der Temperatur abhängig ist, wobei die zweite Stromquelle dafür konfiguriert ist, den zweiten Strom dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der Temperatur die Größenordnung des zweiten Stroms abnimmt, wobei der zweite Bezugssignalschaltkreis dafür konfiguriert ist, das zweite Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der Temperatur die Größenordnung des zweiten Bezugssignals zunimmt. Der Temperaturfühlerschaltkreis kann des Weiteren einen Frequenzkomparatorschaltkreis umfassen, der mit dem ersten Oszillatorschaltkreis und dem zweiten Oszillatorschaltkreis gekoppelt ist, wobei der Frequenzkomparator dafür konfiguriert ist, ein Frequenzsignal bereitzustellen, das die Temperatur anzeigt, wobei das Frequenzsignal auf der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz basiert, wobei der erste Oszillatorschaltkreis und der zweite Oszillatorschaltkreis dafür konfiguriert sind, das erste Taktsignal bzw. das zweite Taktsignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität entweder die erste Frequenz oder die zweite Frequenz zunimmt, während die andere der ersten Frequenz bzw. der zweiten Frequenz abnimmt, und wobei der erste Oszillatorschaltkreis und der zweite Oszillatorschaltkreis dafür konfiguriert sind, das jeweilige Taktsignal dergestalt bereitzustellen, dass sich die jeweilige Frequenz im Wesentlichen nicht-linear mit der physikalischen Quantität ändert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den beiliegenden Figuren beschrieben.
1 zeigt ein Blockschaubild eines Schaltkreises zum Fühlen einer physikalischen Quantität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der zwei Oszillatorschaltkreise umfasst;
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht eine Ungewissheit einer Feststellung einer Temperatur auf der Grundlage des Fühlens der Temperatur als eine Funktion eines Spannungspegels;
4 veranschaulicht ein Fühlprinzip des Bestimmens einer absoluten Temperatur auf der Grundlage des Bestimmens einer Frequenz;
5 veranschaulicht ein Fühlprinzip für eine absolute Temperatur auf der Grundlage des Bestimmens einer Frequenz, wobei ein Versatz berücksichtigt wird;
6a zeigt zwei Frequenz/Temperatur-Kennlinien von zwei Taktsignalen, die durch zwei Oszillatorschaltkreise gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, wobei ein Kalibrierungs- und Messungsprozess veranschaulicht wird;
6b zeigt eine Temperaturabhängigkeit eines Verhältnisses der Frequenz/Temperatur-Kennlinien der in 6a gezeigten Oszillatorschaltkreise;
7 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Oszillatorschaltkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine Zeitabhängigkeit einer Spannung an einem Kondensator des in 7 gezeigten Oszillators;
9 zeigt ein Schaltbild einer Stromquelle, eines PTAT-Vormagnetisierungsgenerators, eines CTAT-Vormagnetisierungsgenerators und einer weiteren Stromquelle, die in dem Oszillatorschaltkreis von 7 Verwendung finden;
10a zeigt zwei Frequenz/Temperatur-Kennlinien von zwei Taktsignalen, die durch zwei Oszillatorschaltkreise gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, wobei ein Kalibrierungs- und Messungsprozess veranschaulicht wird; und
10b zeigt eine Temperaturabhängigkeit eines Verhältnisses der Frequenz/Temperatur-Kennlinien der in 10a gezeigten Oszillatorschaltkreise.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben. In diesem Zusammenhang werden zusammenfassende Bezugszeichen verwendet, um mehrere Objekte gleichzeitig zu beschreiben oder um häufige Merkmale, Abmessungen, Eigenschaften oder dergleichen dieser Objekte zu beschreiben. Die zusammenfassenden Bezugszeichen basieren auf ihren individuellen Bezugszeichen. Darüber hinaus werden Objekte, die in mehreren Ausführungsformen oder mehreren Figuren erscheinen, aber im Hinblick auf mindestens einige ihrer Funktionen oder strukturellen Merkmale identisch oder zumindest ähnlich sind, mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, betreffen Teile der Beschreibung, die sich auf solche Objekte beziehen, auch entsprechende Objekte der verschiedenen Ausführungsformen oder der verschiedenen Figuren, sofern nicht ausdrücklich oder – unter Beachtung des Zusammenhangs der Beschreibung und der Figuren – implizit etwas anderes ausgesagt wird. Daher können ähnliche oder verwandte Objekte mit mindestens einigen identischen oder ähnlichen Merkmalen, Abmessungen und Eigenschaften implementiert werden, können aber auch mit anderen Eigenschaften implementiert werden.
Smartcards werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen verwendet, um bestimmte Güter, wie zum Beispiel Sonderrechte oder Zugang zu bestimmten Einrichtungen und Informationen, zu schützen. Zum Beispiel können Smartcards verwendet werden, um Gebäude, Laboratorien und andere Bereiche vor unbefugtem Zugang zu schützen. Sie können auch verwendet werden, um den Zugang zu einem Konto zu schützen. Smartcards umfassen in der Regel einen integrierten Schaltkreis (IC), der dafür ausgelegt ist, die Aufgabe der jeweiligen Smartcard auszuführen. Jedoch kann – in Abhängigkeit von dem Wert der durch die Smartcard geschützten Güter – die Smartcard selbst das Ziel von Angriffen oder Versuchen, ihren Inhalt zu manipulieren, werden. Infolgedessen kann sie Sicherheitsmaßnahmen umfassen, um sich selbst und damit die Güter zu schützen, die sie schützen soll.
Eine Smartcard kann einen Prozessor oder irgendeine andere Form eines integrierten Schaltkreises umfassen. Deshalb kann sie auch thermischen oder anderen Einflüssen unterliegen, denen ein solcher Schaltkreis während seines Betriebes ausgesetzt sein kann. Im Hinblick auf eine Anwendung oder Implementierung kann es daher ratsam sein, einen Schaltkreis zum Fühlen einer physikalischen Quantität – wie zum Beispiel einer Temperatur – zu implementieren.
Da eine Smartcard ein Gerät ist, das ein Benutzer mit sich führen soll, können bestimmte Einschränkungen für die implementierbaren Infrastrukturen gelten. Infolge dieser Einschränkungen, zum Beispiel auf dem Gebiet von Smartcards, besteht ein Bedarf daran, Schaltkreise und Infrastrukturen mit einer verringerten Komplexität zu verwenden. Jedoch können Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Folgenden beschrieben werden, auch als andere Klassen von Vorrichtungen als Smartcards – oder im Zusammenhang mit anderen Klassen von Vorrichtungen als Smartcards – und anderen Systemen implementiert werden.
1 zeigt ein Blockschaubild eines Schaltkreises 100 zum Fühlen einer physikalischen Quantität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Schaltkreis 100 umfasst einen ersten Oszillatorschaltkreis (OSC1) 110-1 und einen zweiten Oszillatorschaltkreis (OSC2) 110-2, die mit einem Frequenzkomparatorschaltkreis 120 gekoppelt sind. Der Frequenzkomparatorschaltkreis 120 ist dafür betreibbar, ein Frequenzsignal FS an einem Ausgang 130 bereitzustellen. Das Frequenzsignal FS steht für die physikalische Quantität, die durch den Schaltkreis 100 gefühlt werden soll.
Das Frequenzsignal FS basiert auf einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz eines ersten Taktsignals CS1 und eines zweiten Taktsignals CS2, die durch den ersten bzw. den zweiten Oszillatorschaltkreis 110-1, 110-2 erzeugt werden. Die Oszillatorschaltkreise 110 sind dafür betreibbar, die jeweiligen Taktsignale CS1, CS2 dergestalt bereitzustellen, dass die Frequenz des jeweiligen Oszillatorschaltkreises 110 von der physikalischen Quantität abhängig ist. Um aber den Frequenzkomparatorschaltkreis 120 in die Lage zu versetzen, das Frequenzsignal FS, das die physikalische Quantität anzeigt, bereitzustellen, sind der erste und der zweite Oszillatorschaltkreis 110-1, 110-2 dafür betreibbar, ihre jeweiligen Taktsignale CS1, CS2 in einer solchen Weise bereitzustellen, dass eine Änderung der physikalischen Quantität dazu führt, dass eine der Frequenzen der zwei Taktsignale CS1, CS2 zunimmt, während die andere Frequenz abnimmt.
Durch Verwendung zweier Oszillatorschaltkreise 110 mit zumindest lokal entgegengesetzten Frequenzkennlinien als eine Funktion der physikalischen Quantität kann ein Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine einfachere Implementierung und ein genaueres Fühlen der physikalischen Quantität ermöglichen, da eine Messung der physikalischen Quantität auf zwei Oszillatorschaltkreisen 110 basiert, die beide von der physikalischen Quantität abhängig sind, anstatt nur einen Oszillatorschaltkreis 110 in Verbindung mit einem Referenzoszillator zu verwenden, der ein Taktsignal mit einer vorgegebenen und festen Frequenz als eine Zeitbasis ausgibt. Oder anders ausgedrückt: Der Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nutzt ein Prinzip, dass eine physikalische Quantität ebenso gut durch die Verwendung einer nicht-konstanten „Zeitbasis” gefühlt werden kann, die mit der physikalischen Quantität selbst variiert, anstatt eine feste, vorgegebene und konstante Zeitbasis bereitzustellen. Daher kann in einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine Implementierung eines oszillierenden Kristalls oder eines Oszillators mit einem festen und vorgegebenen Frequenzsignal verzichtet werden.
Herkömmlicherweise wird ein solches Referenztaktsignal mit einer vorgegebenen und festen Frequenz zum Beispiel durch Implementieren eines oszillierenden Kristalls erzeugt. Jedoch kann sich das Implementieren eines oszillierenden Kristalls in einigen Anwendungen als schwierig erweisen. Wenn zum Beispiel der Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem einzelnen, monolithischen integrierten Schaltkreis implementiert wird, so verträgt sich das Integrieren des oszillierenden Kristalls möglicherweise nicht mit der zugrundeliegenden Technologie oder den Prozessparametern oder anderen technischen Beschränkungen. Darüber hinaus ist eine Implementierung eines oszillierenden Kristalls auch aufgrund anwendungs- oder kostenbedingter Beschränkungen möglicherweise keine tragfähige Option.
Unter bestimmten Umständen ist das externe Bereitstellen des Referenztaktsignals mit einer festen und vorgegebenen Frequenz möglicherweise auch keine Alternative. Das kann daran liegen, dass ein solches Referenztaktsignal schlicht nicht zur Verfügung steht oder nicht vertrauenswürdig ist. Das Letztere kann zum Beispiel in einer sicherheitsrelevanten Anwendung der Fall sein, wenn sich der Schaltkreis 100 zum Beispiel in einer Smartcard 140 befindet, die dazu dient, Sonderrechte, Einrichtungen oder Informationen zu schützen. In einem solchen Fall kann die Smartcard 140 Angriffen ausgesetzt sein, um Zugang zu den oben angesprochenen geschützten Gütern zu erhalten. Oder anders ausgedrückt: Die Smartcard 140 kann Manipulationsversuchen ausgesetzt sein.
Herkömmlicherweise kann – als eine Alternative zum Implementieren eines oszillierenden Kristalls – ein Referenztaktsignal auch durch einen entsprechend kompensierten Oszillatorschaltkreis erzeugt werden. Jedoch muss ein solcher Oszillatorschaltkreis das Referenztaktsignal in der Regel über einen weiten Bereich spezifizierter und gegebenenfalls unspezifizierter Betriebsbedingungen erzeugen, wenn er in einer sicherheitsrelevanten Anwendung implementiert werden soll. Schaltkreise wie diese erfordern jedoch gegebenenfalls eine signifikante Größe oder Fläche auf einem Chip eines integrierten Schaltkreises.
Ein Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sich die Tatsache zunutze machen, dass ein solcher Referenzoszillatorschaltkreis beim Fühlen einer physikalischen Quantität weggelassen werden kann. Ein Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher die Gelegenheit bieten, die Komplexität eines solchen Schaltkreises und den Größenbedarf im Vergleich zum Implementieren eines Referenzoszillatorschaltkreises in der oben beschriebenen Weise beträchtlich zu verringern. Darüber hinaus kann es sogar möglich sein, die Genauigkeit des Fühlens der physikalischen Quantität zu erhöhen, da der zweite Oszillatorschaltkreis (OSC2) 110-2 ebenfalls Informationen über die physikalische Quantität transportiert, anstatt nur eine konstante Zeitbasis bereitzustellen.
Der Schaltkreis 100 umfasst des Weiteren einen Evaluierungsschaltkreis 150, der mit dem Ausgang 130 des Frequenzkomparatorschaltkreises 120 gekoppelt ist, um das Frequenzsignal FS zu empfangen. Der Evaluierungsschaltkreis 150 ist dafür ausgelegt, das Frequenzsignal FS mit einer vorgegebenen Bedingung zu vergleichen und ein Statussignal SS an einem Ausgang 160 bereitzustellen, wenn das Frequenzsignal FS die vorgegebene Bedingung erfüllt.
Die Smartcard 140 kann des Weiteren einen Gegenmaßnahmenschaltkreis 170 umfassen, der dafür ausgelegt ist, das Statussignal SS zu empfangen und bei Empfang des Statussignals SS eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Zu den möglichen Gegenmaßnahmen, die der Gegenmaßnahmenschaltkreis 170 einleiten könnte, gehören zum Beispiel das Einleiten einer Sicherheitsrücksetzung der Smartcard 140, das Verringern eines Spannungspegels und das Verringern einer Frequenz eines Betriebstaktsignals.
Das Einleiten einer Sicherheitsrücksetzung der Smartcard 140 kann eine ratsame Gegenmaßnahme sein, wenn das Frequenzsignal FS das Stattfinden eines Angriffs auf die Smartcard 140 oder einen sonstigen Versuch, ihren Inhalt zu manipulieren, anzeigt. Das Verringern eines Spannungspegels und das Verringern einer Frequenz eines Betriebstaktsignals können geeignete Gegenmaßnahmen in dem Fall sein, dass die Smartcard 140 zur Überhitzung neigt, dergestalt, dass eine Energiemenge, die durch die Smartcard 140 dissipiert wird, verringert wird, um ihre Funktionsweise und Betriebstüchtigkeit zu gewährleisten.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Frequenzkomparatorschaltkreis 120 zum Beispiel dafür betreibbar sein, das Frequenzsignal FS dergestalt bereitzustellen, dass er ein Verhältnis der Frequenzwerte der ersten und der zweiten Frequenz der jeweiligen Taktsignale CS1, CS2 anzeigt. Um das zu ermöglichen, kann der Frequenzkomparatorschaltkreis 120 dafür betreibbar sein, das Frequenzsignal FS auf der Grundlage des Zählens einer Anzahl von Flanken eines Taktsignals des ersten und des zweiten Taktsignals CS1, CS2 während eines Zeitraums bereitzustellen, der von einer vorgegebenen Anzahl von Flanken, zum Beispiel abfallender oder ansteigender Flanken, des anderen Taktsignals abhängig ist.
Oder anders ausgedrückt: In einer Ausführungsform kann der Frequenzkomparatorschaltkreis zum Beispiel einen ersten und einen zweiten Zähler umfassen, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Oszillatorschaltkreis 110-1, 110-2 gekoppelt sind. Der Zeitraum kann zum Beispiel von der vorgegebenen Anzahl von Flanken des zweiten Taktsignals CS2 abhängen, das durch den zweiten oszillierenden Schaltkreis 110-2 erzeugt wird. In diesem Fall kann der erste Zähler, der mit dem ersten Oszillatorschaltkreis 110-1 gekoppelt ist, durch den zweiten Zähler in einer solchen Weise gesteuert werden, dass der erste Zähler das Zählen der Flanken des ersten Taktsignals CS1 einstellt, wenn der zweite Zähler die vorgegebene Anzahl erreicht, oder von der vorgegebenen Anzahl ausgeht und rückwärts in Richtung null zählt. Wenn der zweite Zähler null oder die vorgegebene Anzahl erreicht, so ist die Anzahl der Flanken, die durch den ersten Zähler gezählt werden, proportional zu einem Produkt des Verhältnisses der zwei Frequenzen der zwei Taktsignale CS1, CS2 und der vorgegebenen Anzahl.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Frequenzkomparatorschaltkreis 120 so konfiguriert sein, dass die vorgegebene Anzahl eine feste oder programmierbare ganze Zahl ist. Die Anzahl der Flanken, die während des Zeitraums des ersten Taktsignals CS1 gezählt werden, ist proportional zu einem Produkt der vorgegebenen Anzahl und des oben erwähnten Verhältnisses der zwei Frequenzen der zwei Taktsignale CS1, CS2.
Natürlich kann in anderen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung das erste Taktsignal CS1 dafür verwendet werden, die Anzahl der Flanken zu steuern, die durch den Frequenzkomparatorschaltkreis 120 gezählt werden sollen. Je nach Implementierung des Frequenzkomparatorschaltkreises 120 und seiner optional implementierten Zähler können ansteigende Flanken (vordere Flanken) oder abfallende Flanken (hintere Flanken) gezählt werden. In anderen Ausführungsformen eines Schaltkreises 100 kann der Frequenzkomparatorschaltkreis 120 anders implementiert werden, um das Frequenzsignal FS bereitzustellen, das optional für ein Verhältnis der Frequenzwerte der ersten und der zweiten Frequenz steht.
Wie zuvor angesprochen, kann der optionale Evaluierungsschaltkreis 150 dafür ausgelegt sein, das Frequenzsignal FS zu empfangen und das Statussignal SS bereitzustellen, wenn das Frequenzsignal FS die vorgegebene Bedingung erfüllt. Die vorgegebene Bedingung kann fest oder programmierbar sein. Zum Beispiel kann es im Fall einer sicherheitsrelevanten Implementierung des Schaltkreises 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ratsam sein, die vorgegebene Bedingung in einer festen Form zu implementieren. Infolgedessen ist die vorgegebene Bedingung möglicherweise schwieriger durch einen Angreifer zu ändern. Das Implementieren einer programmierbaren vorgegebenen Bedingung könnte unter anderen Umständen interessanter sein, weil es dem Benutzer des Schaltkreises 100 je nach der physikalischen Quantität, die durch den Schaltkreis 100 gefühlt wird, eine größere Flexibilität beim Festlegen von Aktionen geben kann.
Wenn zum Beispiel die physikalische Quantität eine Temperatur ist, so kann die vorgegebene Bedingung erfüllt sein, wenn die Temperatur – oder allgemeiner ausgedrückt – die physikalische Quantität unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt oder diesen übersteigt. Wenn zum Beispiel die Temperatur unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt, so kann dies als ein Angriff auf die Smartcard 140 interpretiert werden, was den Gegenmaßnahmenschaltkreis 170 veranlasst, die Sicherheitsrücksetzung der Smartcard 140 einzuleiten. Der Gegenmaßnahmenschaltkreis 170 wird in diesem Fall durch das Statussignal SS ausgelöst, das durch den Evaluierungsschaltkreis 150 erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann es, wenn die durch den Schaltkreis 100 gefühlte Temperatur einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, ratsam sein, den Stromverbrauch der Smartcard 140 zu senken. In diesem Fall kann der Gegenmaßnahmenschaltkreis 170 so konfiguriert sein, dass ein Spannungspegel, zum Beispiel ein Versorgungsspannungspegel, oder eine Frequenz eines Betriebstaktes der Smartcard 140 verringert wird, um den Leistungsverlust der Smartcard 140 zu begrenzen.
Folglich kann der Evaluierungsschaltkreis 150 so konfiguriert sein, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wenn das Verhältnis der Frequenzen des ersten und des zweiten Taktsignals CS1, CS2 eine vorgegebene Schwelle überschreitet oder unterschreitet.
In einigen Ausführungsformen des Schaltkreises 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Oszillatorschaltkreis 110 eines ersten und eines zweiten Oszillatorschaltkreises 110-1, 110-2 dafür betreibbar, das jeweilige Taktsignal CS1, CS2 dergestalt bereitzustellen, dass sich die jeweilige Frequenz im Wesentlichen nicht-linear und optional im Wesentlichen nicht-umgekehrt linear mit der physikalischen Quantität ändert. Wie weiter unten noch ausführlicher besprochen werden wird, kann dies die Kalibrierung des Schaltkreises 100 vereinfachen. Zum Beispiel können die Änderungen im Wesentlichen polynom (z. B. quadratisch) oder im Wesentlichen umgekehrt polynom (z. B. umgekehrt quadratisch) sein.
Bevor wir uns im Folgenden ausführlicher einer möglichen Implementierung eines Oszillatorschaltkreises 110 zuwenden, soll erwähnt werden, dass, obgleich der Schaltkreis 100 bisher nur im Zusammenhang mit der Smartcard 140 beschrieben wurde, Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung bei Weitem nicht auf eine Implementierung im Rahmen einer Smartcard beschränkt sind. Darüber hinaus soll ebenfalls erwähnt werden, dass der Evaluierungsschaltkreis 150 dafür konfiguriert sein kann, mehr als ein Statussignal SS bereitzustellen oder ein Statussignal SS mit verschiedenen Zuständen bereitzustellen. In einem solchen Fall kann der Gegenmaßnahmenschaltkreis 170 so konfiguriert sein, dass je nach dem Status des von dem Evaluierungsschaltkreis 150 empfangenen Statussignals verschiedene Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
In dem in 1 gezeigten Schaltkreis 100 umfasst jeder Oszillator 110 einen Oszillationsgenerator 180, 180', eine Stromquelle 190, 190' sowie einen Bezugssignalschaltkreis 200, 200'. Jeder der Oszillationsgeneratoren 180, 180' umfasst einen Komparator 210, 210' mit einem ersten Eingang 220 bzw. 220' und einem zweiten Eingang 230 bzw. 230'. Die Komponenten, die mit einem Apostroph (') bezeichnet sind, sind Komponenten des zweiten Oszillatorschaltkreises (OSC2) 110-2, während sich die Komponenten ohne Apostrophe auf die Komponenten des ersten Oszillatorschaltkreises (OSC1) 110-1 beziehen.
Allein aus Gründen der Einfachheit wird die Struktur des ersten Oszillatorschaltkreises 110-1 im Folgenden ausführlicher beschrieben. Wie aus 1 zu erkennen ist, kann die gleiche Struktur auch für den zweiten Oszillator 110-2 gelten. Natürlich können in anderen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung die Oszillatoren 110 anders implementiert werden.
Der Oszillationsgenerator 180 ist dafür ausgelegt, das Taktsignal CS1 des ersten Oszillators 110-1 bereitzustellen. Die Stromquelle 190 ist mit dem ersten Eingang 220 eines Komparators 210 gekoppelt und dafür betreibbar, einen Strom bereitzustellen, dessen Größenordnung von der physikalischen Quantität abhängig ist, die durch den Schaltkreis 100 gefühlt werden soll. Der Bezugssignalschaltkreis 200 ist mit dem zweiten Eingang 230 des Komparators 210 gekoppelt und dafür betreibbar, ein Bezugssignal bereitzustellen, dessen Größenordnung von der physikalischen Quantität abhängig ist. Auch hier sind die Stromquelle 190 und der Bezugssignalschaltkreis 200 dafür betreibbar, den Strom bzw. das Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer identischen Änderung der physikalischen Quantität die Größenordnung des Stroms oder des Bezugssignals zunimmt, während die andere Größenordnung des Stroms bzw. des Bezugssignals abnimmt. Oder anders ausgedrückt: Auch die Stromquelle 190 und der Bezugssignalschaltkreis 200 umfassen mindestens lokal entgegengesetzte Abhängigkeiten mit Bezug auf die physikalische Quantität.
Die Oszillatorschaltkreise 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nutzen ebenfalls die Tatsache, dass es nicht notwendig ist, einen festen Bezugssignalschaltkreis zu implementieren, der ein festes Bezugssignal mit einer festen, vorgegebenen und konstanten Größenordnung bereitstellt. Aus den gleichen Gründen, die oben angesprochen wurden, kann die Komplexität des Oszillatorschaltkreises 110 verringert oder vereinfacht werden, indem man den Bezugssignalschaltkreis 200 dergestalt implementiert, dass die Größenordnung des durch den Bezugssignalschaltkreis 200 ausgegebenen Bezugssignals von der physikalischen Quantität abhängig ist, die durch den Schaltkreis 100 gefühlt werden soll.
Der Bezugssignalschaltkreis 200 kann je nach der konkreten Implementierung eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle sein. Jedoch erfolgt eine ausführlichere Beschreibung einer Ausführungsform eines Oszillatorschaltkreises 110 gemäß der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den 7 und 8.
In dem oben umrissenen Fall, in dem die physikalische Quantität, die gefühlt oder gemessen werden soll, die Temperatur ist, kann die Stromquelle 190 auf einer Proportional-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle (PTAT-Stromquelle) basieren, und der Bezugssignalschaltkreis 200 kann auf einer Komplementär-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle (CTAT-Stromquelle) basieren, oder umgekehrt. Mitunter wird die CTAT-Stromquelle auch als eine Umgekehrt-Proportional-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle (IPTAT-Stromquelle) bezeichnet. Weil es aber nicht unbedingt notwendig ist, vollständige Sätze von PTAT-Stromquellen und CTAT-Stromquellen für beide Oszillatoren 110-1, 110-2 zu implementieren, kann der Schaltkreis 100 des Weiteren einen ersten Vormagnetisierungsgenerator 240 und einen zweiten Vormagnetisierungsgenerator 250 umfassen. Falls die physikalische Quantität die Temperatur ist, die Stromquellen 190, 190' auf einer PTAT- oder einer CTAT-Stromquelle basieren, während die jeweiligen Bezugssignalschaltkreise 200, 200' auf der anderen Alternative von PTAT- und CTAT-Stromquellen basieren, kann der erste Vormagnetisierungsgenerator 240 ein PTAT-Vormagnetisierungsgenerator sein, während der zweite Vormagnetisierungsgenerator ein CTAT-Vormagnetisierungsgenerator sein kann. In der in 1 gezeigten Implementierung ist der zweite Vormagnetisierungsgenerator 250 von einem Eingangssignal abhängig, das durch den ersten Vormagnetisierungsgenerator 240 erzeugt wird. Infolgedessen sind die zwei Vormagnetisierungsgeneratoren 240, 250 gekoppelt. Der erste Vormagnetisierungsgenerator 240 ist mit den Stromquellen 190, 190' gekoppelt, und der zweite Vormagnetisierungsgenerator 250 ist mit den Bezugssignalschaltkreisen 200, 200' gekoppelt.
2 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Fühlen der physikalischen Quantität. Nach einem Beginn der Ausführungsform des Verfahrens in einem Schritt S100 wird das erste Taktsignal CS1 in einem Schritt S110 erzeugt. Zum Beispiel kann Schritt S110 durch den ersten Oszillatorschaltkreis (OSC1) 110-1 ausgeführt werden. In einem parallelen Schritt S120 wird das zweite Taktsignal CS2 zum Beispiel durch den zweiten Oszillatorschaltkreis (OSC2) 110-2 bereitgestellt. In einem Schritt S130 wird das Verhältnis der Frequenzwerte der ersten und der zweiten Frequenz des ersten und des zweiten Taktsignals CS1, CS2 bestimmt. Auf der Grundlage des in Schritt S130 bestimmten Verhältnisses wird das Frequenzsignal FS in einem Schritt S140 erzeugt, bevor das Verfahren gemäß einer Ausführungsform in einem Schritt 150 endet.
Während die Schritte S110 und S120 des Erzeugens des ersten bzw. des zweiten Taktsignals CS1, CS2 in der Regel durch den ersten und den zweiten Oszillatorschaltkreis 110-1, 110-2 ausgeführt werden, können die Schritte S130 und S140 durch den Frequenzkomparatorschaltkreis 120 ausgeführt werden. Die Schritte S110 und S120 können gleichzeitig durch die zwei Oszillatorschaltkreise 110 ausgeführt werden, wie oben dargelegt wurde. Im Prinzip können die Schritte S110 und S120 ebenfalls nacheinander oder – zeitlich gesehen – ganz oder teilweise überlappend ausgeführt werden. Oder anders ausgedrückt: Das in 2 gezeigte Flussdiagramm stellt nicht unbedingt eine Reihenfolge dar, in der die Schritte ausgeführt werden müssen. Wie zuvor angesprochen, kann das Verfahren zum Fühlen einer physikalischen Quantität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weitere Schritte umfassen, wie ebenfalls weiter unten dargelegt wird.
Bevor jedoch die Oszillatorschaltkreise 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben werden, werden Möglichkeiten, die einige Ausführungsformen bieten können, zusammen mit weiteren Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform wird als die physikalische Quantität immer die Temperatur angenommen, ohne dass dadurch die Allgemeingültigkeit eingeschränkt werden soll.
Ein herkömmlicher Temperatursensor wird in der Regel justiert, indem die Reaktion des Sensors bei einer oder mehreren Referenztemperaturen gemessen wird. Um dies für einen herkömmlichen spannungsbasierten Temperatursensor zu veranschaulichen, zeigt 3 ein Diagramm einer Ausgangsspannung/Temperatur-Kennlinie einer Ausgangsspannung V in willkürlichen Einheiten (WE) als eine Funktion der Temperatur T in Grad Celsius (°C).
In dem herkömmlichen Temperatursensor, auf dem die Illustration in 3 basiert, wird ein Strom an den Sensor angelegt, und eine resultierende Spannung wird gemessen. Die Spannung hängt linear von der Temperatur ab. Ein Komparatorschaltkreis evaluiert die lineare temperaturabhängige Spannung mit einer temperaturunabhängigen Spannung. Diese Messungen werden während eines Kalibrierungsprozesses bei den Referenztemperaturen 260-1 und 260-2 von 25°C bzw. bei 85°C ausgeführt. Auf der Grundlage dieser Messungen wird anschließend eine Berechnung eines unteren Temperatursensorauslösepunktes ausgeführt.
Der herkömmliche Temperatursensor erzeugt eine PTAT-Spannung, eine CTAT-Spannung und/oder eine temperaturunabhängige Spannung. Er arbeitet mit einem Spannungsvergleichsschaltkreis zum Vergleichen von zwei der oben erwähnten Spannungen. Jedoch kann das Implementieren einer solchen Schaltung mit einer hohen Auflösung aufgrund der notwendigen Implementierung von Übertragungsgattern und weiteren Infrastrukturen eine große Fläche auf einem integrierten Schaltkreis in Anspruch nehmen.
3 zeigt mehrere Spannung/Temperatur-Kennlinien 270-1, 270-2, 270-3 und 270-4, die auf geringfügigen Variationen der Spannungen basieren, die bei den zwei Referenztemperaturen 260 anliegen, die aber der Spannungsvergleichsschaltkreis als den gleichen Spannungen entsprechend ansieht. Genauer gesagt, basieren die Kennlinien 270-1 und 270-2 auf der Annahme, dass sich die gemessene Spannung bei der ersten Referenztemperatur 260-1 von 25°C von derjenigen der anderen zwei Kennlinien 270-3, 270-4 um etwas weniger als einen Auflösungsschritt der Vergleichsschaltung unterscheidet. Gleichermaßen wird angenommen, dass die Spannungsabhängigkeiten 270-2 und 270-4 einerseits und die Kennlinien 270-1 und 270-3 andererseits auf Spannungen basieren, die marginal weniger als einer Differenz einer einzelnen Stufe der Auflösung bei der zweiten Referenztemperatur 260-2 von 85°C entsprechen. Ungeachtet dessen haben alle Spannungen zur Folge, dass ihnen durch den Spannungsvergleichsschaltkreis die gleichen Spannungswerte zugewiesen werden.
Diese Granularität mit Bezug auf die Spannungen führt auch zu einer Granularität der Temperaturen. In der in 3 gezeigten Situation führt dies zu einer Granularität mit Bezug auf die Temperatur von ungefähr 2 K. Da die Temperatursensoren in der Regel nicht nur im Temperaturregime zwischen den zwei Referenztemperaturen 260 betrieben werden, sondern auch zum Messen von Temperaturen darunter und darüber verwendet werden, kann ein Fehler oder eine resultierende Granularität aufgrund der finiten Spannungsauflösung zu einer signifikanten Ungewissheit in Bezug auf die erfühlte Temperatur führen. Unter den Umständen und in der Situation, die in 3 gezeigt sind, kann die Granularität aufgrund der Extrapolation auf niedrigere Temperaturen um einen Faktor von 3 zunehmen.
4 zeigt eine Frequenz/Temperatur-Kennlinie 290 auf der Grundlage einer Frequenzmessung anstatt einer Spannungsmessung. Genauer gesagt, zeigt 4 eine Abhängigkeit der Frequenz f in willkürlichen Einheiten (WE) als eine Funktion der Temperatur in Grad Celsius (°C).
Der Temperatursensor, auf dem die Illustration von 4 basiert, wird mit einer einzelnen Referenztemperatur 260 von 25°C kalibriert und unter Verwendung einer PTAT-Stromquelle oder einer PTAT-Spannungsquelle implementiert. Aufgrund der linearen Kennlinien der PTAT-Stromquelle oder der PTAT-Spannungsquelle, was im Kontext der 7 und 9 ausführlicher beschrieben wird, beginnt die Frequenzabhängigkeit 290 nach einer Umwandlung des Stroms in den Frequenzbereich mit einer Frequenz von null am absoluten Nullpunkt (0 K = –273,15°C).
Anders ausgedrückt: Unter idealen Bedingungen sollte eine Einzelpunktmessung während des Kalibrierungsprozesses bei der Referenztemperatur 260 ausreichen, um genug Daten bereitzustellen, um den Temperatursensor, auf dem das Diagramm von 4 basiert, verlässlich zu kalibrieren. Jedoch könnte unter Feldbedingungen eine hoch-präzise Zeitbasis notwendig sein, die zum Beispiel als ein Kristalloszillator oder als ein externer Takt implementiert sein kann. Wie zuvor angesprochen, steht eine solche hoch-präzise Zeitbasis möglicherweise nicht immer zur Verfügung.
Um die Genauigkeit eines Temperatursensors zu erhöhen, kann eine Zweipunktmessung während des Kalibrierungsprozesses verwendet werden. Um das zu veranschaulichen, veranschaulicht 5 eine weitere Frequenzabhängigkeit 290, die auf der Erfassung der Frequenzwerte bei einer ersten Referenztemperatur 260-1 von 25°C und bei einer zweiten Referenztemperatur 260-2 von 85°C basiert. Infolgedessen kann eine Abweichung vom absoluten Nullpunkt berücksichtigt werden, um die Genauigkeit der Feststellung einer Temperatur zu erhöhen.
Obgleich jedoch ein solcher Sensor, der bei zwei Referenztemperaturen 260 kalibriert wird, unter Feldbedingungen im Gegensatz zu Testbedingungen präziser arbeiten kann, sollte auch hier eine hoch-präzise Zeitbasis vorhanden sein, die nicht unbedingt zur Verfügung steht. Um aber die zusätzliche Genauigkeit dieser herkömmlichen Herangehensweise zu realisieren, könnte es unter Feldbedingungen notwendig sein, eine betreibbare Quelle zu implementieren.
6a zeigt zwei Frequenzabhängigkeiten 290-1, 290-2 von Oszillatorschaltkreisen 110-1, 110-2 eines Schaltkreises 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt. Der erste Oszillatorschaltkreis (OSC1) 110-1 umfasst eine gleichförmig ansteigende Frequenz/Temperatur-Kennlinie 290-1, die sich im Wesentlichen quadratisch mit der Temperatur ändert. Der zweite Oszillatorschaltkreis (OSC2) 110-2 umfasst eine gleichförmig absteigende Frequenz/Temperatur-Kennlinie 290-2, die sich im Wesentlichen umgekehrt quadratisch mit der Temperatur ändert. In dem in 6a gezeigten Temperaturbereich von ungefähr –15°C bis ungefähr 125°C variieren die Frequenzen beider Oszillatorschaltkreise 110 im Bereich zwischen ungefähr 4 MHz und ungefähr 10 MHz.
In der Ausführungsform des Schaltkreises 100, wie in 1 gezeigt, kann der Frequenzkomparatorschaltkreis 120 dafür konfiguriert sein, das Frequenzsignal dergestalt bereitzustellen, dass es ein Verhältnis der Frequenzen der zwei Oszillatorschaltkreise 110-1, 110-2 anzeigt. Um das zu erreichen, zeigt 6b eine Verhältnis/Temperatur-Kennlinie 300, die auf einem Verhältnis der Frequenz f₂ des zweiten Oszillatorschaltkreises 110-2 mit Bezug auf die Frequenz f₁ des ersten Oszillatorschaltkreises 110-1 basiert. Oder anders ausgedrückt: 6b zeigt das Verhältnis f₂/f₁ als eine Funktion der Temperatur für die Frequenz/Temperatur-Kennlinie 290 von 6a. Das Verhältnis variiert im Temperaturbereich von –15°C bis ungefähr 125°C von ungefähr 2,4 bis ungefähr 0,5. Das Verhältnis ist in diesem Temperaturbereich gleichförmig absteigend. Es steht daher für die Temperatur. Folglich steht ein Frequenzsignal FS, das Informationen über das oben erwähnte Verhältnis umfasst, auch für die Temperatur.
7 zeigt ein Schaltbild eines Oszillatorschaltkreises 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Oszillatorschaltkreis 110 umfasst den Oszillationsgenerator 180, die Stromquelle 190 und den Bezugssignalschaltkreis 200, wie bereits in 1 gezeigt ist.
Der Oszillationsgenerator 180 umfasst den Komparator 210 mit seinem ersten Eingang 220 und seinem zweiten Eingang 230. Der erste Eingang 220 ist ein nicht-invertierender Eingang des Komparators 210, während der zweite Eingang 230 ein invertierender Eingang ist. Ein Ausgang 310 eines Komparators ist mit einem Treiberschaltkreis 320 gekoppelt, der einen ersten CMOS-Inverter 330 und einen zweiten CMOS-Inverter 340 (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) umfasst, die in Reihe geschaltet sind. Genauer gesagt, ist der Ausgang 310 des Komparators 210 mit einem Eingang des ersten CMOS-Inverters 330 gekoppelt, von dem ein Ausgang mit einem Eingang des zweiten CMOS-Inverters 340 gekoppelt ist.
Ein Ausgang des Treiberschaltkreises 320 und folglich des zweiten CMOS-Inverters 340 ist mit einem Steuerungsanschluss eines Transistors 350 gekoppelt. Der Transistor 350 ist in dem Oszillatorschaltkreis 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als ein PMOS-Transistor (PMOS = p-Channel Metal Oxide Semiconductor) implementiert. Infolgedessen ist der Steuerungsanschluss ein Gate-Anschluss des Transistors.
Der Transistor 350 umfasst des Weiteren einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss ist mit dem ersten Eingang 220 des Komparators 210 gekoppelt. Der zweite Anschluss des Transistors 350 ist mit einem Versorgungsspannungsanschluss 360 gekoppelt, an dem die positive Versorgungsspannung VDD abgegriffen werden kann.
Der Oszillationsgenerator 180 umfasst des Weiteren einen Kondensator 370 mit einer Kapazität C, der mit der Stromquelle 190 zwischen dem ersten Anschluss des Transistors 350 und den Anschlüssen 380, 390 für ein Referenzpotenzial VSS parallel geschaltet ist. Das Referenzpotenzial kann ein Erdungs(GND)-Potenzial sein. Der Anschluss für das Referenzpotenzial 380 ist mit dem Kondensator 370 gekoppelt, während der Anschluss 390 mit der Stromquelle 190 gekoppelt ist.
Der Oszillationsgenerator 180 umfasst des Weiteren einen Flipflop 400, der zwischen den zwei CMOS-Invertern 330, 340 gekoppelt ist. Der Flipflop 400 ist in einer Ausführungsform als ein T-Flipflop implementiert, der dafür ausgelegt ist, zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umzuschalten, wenn ein Signal mit einer vorgegebenen Flanke in den Flipflop 400 eingespeist wird. Die vorgegebene Flanke kann entweder eine abfallende oder eine ansteigende Flanke sein. Ein Ausgang 410 des Flipflops 400 stellt einen Ausgang des Oszillationsgenerators 180 dar, an dem das Taktsignal CS oder dco_clk abgegriffen werden kann. Daher bildet der Ausgang 410 des Flipflops 400 auch den Ausgang des Oszillationsgenerators 180.
Der Oszillatorschaltkreis 110 umfasst des Weiteren den Bezugssignalschaltkreis 200. Der Bezugssignalschaltkreis 200 umfasst eine weitere Stromquelle 420, die zwischen einem Anschluss 430 eines Referenzpotenzials 430 und dem zweiten Eingang 230 eines Komparators 210 gekoppelt ist. Der Bezugssignalschaltkreis 200 umfasst des Weiteren einen oder mehrere Widerstände 440, die zwischen der weiteren Stromquelle 420 und dem zweiten Eingang 230 des Komparators 210 und einem Versorgungsspannungsanschluss 450 für die Versorgungsspannung VDD gekoppelt sind.
Des Weiteren ist, wie bereits in 1 veranschaulicht, die Stromquelle 190 mit dem optionalen ersten Vormagnetisierungsgenerator 240 gekoppelt, während der Bezugssignalschaltkreis 200 – oder genauer gesagt: die weitere Stromquelle 420 – mit dem zweiten Vormagnetisierungsgenerator 250 gekoppelt ist. Der erste und der zweite Vormagnetisierungsgenerator 240, 250 können miteinander verbunden sein.
Auch hier ist anzumerken, dass der erste und der zweite Vormagnetisierungsgenerator 240, 250 keinen Teil des Oszillatorschaltkreises 110 zu bilden brauchen. Jedoch können sie in einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung Teil des Oszillatorschaltkreises 110 sein.
Des Weiteren ist anzumerken, dass viele der gezeigten Strukturen anders implementiert werden können. Zum Beispiel kann anstelle eines PMOS-Transistors als dem Transistor 350 auch ein bipolarer Transistor verwendet werden. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, mehr als einen Widerstand 440 zu implementieren. Im vorliegenden Fall umfasst der Oszillatorschaltkreis 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Reihe von Widerständen 440, die für eine Feinabstimmung des Bezugssignalschaltkreises 200 verwendet werden können.
Um den Betrieb des Oszillatorschaltkreises 110, wie in 7 gezeigt, zu veranschaulichen, zeigt 8 ein Diagramm einer Spannung V_C an dem Kondensator 370 in willkürlichen Einheiten (WE) als eine Funktion der Zeit t. Beginnend an einem Zeitpunkt t₁, an dem der Transistor 350 gerade erst durch den Treiberschaltkreis 320 abgeschaltet wurde und folglich der Versorgungsspannungsanschluss 360 gerade erst von dem Kondensator 370 entkoppelt wurde, entlädt die Stromquelle 190 den Kondensator 370 linear im Verhältnis zur Zeit. Infolgedessen nimmt die Spannung V_C am Kondensator 370 ausgehend von einem Wert, der ungefähr gleich der Versorgungsspannung VDD ist, ab, bis ein Spannungspegel V_Ref erreicht ist, der durch die weitere Stromquelle 420 verursacht wird. Wenn die Spannung am Kondensator 370 den Spannungspegel V_Ref erreicht, so stellt der Komparator 210 an seinem Ausgang 310 ein Signal bereit, das durch den ersten CMOS-Inverter 330 invertiert und in den Flipflop 400 eingespeist wird. Darüber hinaus wird das invertierte Signal des ersten CMOS-Inverters 330 in den zweiten CMOS-Inverter 340 eingespeist, wodurch an den Steuerungsanschluss des Transistors 350 ein Signal angelegt wird, das veranlasst, dass der Transistor 350 eingeschaltet wird, oder anders ausgedrückt: leitend wird. Der Versorgungsspannungsanschluss 360 wird mit dem Kondensator 370 verbunden. Wenn der Transistor 350 als ein großer Transistor mit einem niedrigen Widerstandswert implementiert wird, so kann der Kondensator 370 rasch wieder auf seine ursprüngliche Spannung geladen werden, die ungefähr gleich der Versorgungsspannung VDD ist.
Aufgrund der ansteigenden Spannung am Kondensator 370 wird in den Komparator 210 eine Spannung eingespeist, die größer als das Potenzial V_Ref ist, das durch den Bezugssignalschaltkreis 200 ausgegeben wird. Infolgedessen speist der Treiberschaltkreis 320 in den Transistor 350 ein Signal ein, was dazu führt, dass sich der Transistor 350 wieder abschaltet. Jedoch erhält der Flipflop 400 auch ein Signal der entgegengesetzten Flanke.
Infolgedessen erhält der Flipflop 400 eine abfallende und eine ansteigende Flanke für jeden Ladezyklus des Kondensators 370. Darum liegt bei jedem zweiten Ladezyklus die gleiche, vorgegebene Flanke an einem Eingang des Flipflops 400 an. Das hat zur Folge, dass das Taktsignal CS am Ausgang 410 des Flipflops 400 mit einer Frequenz ausgegeben wird, die halb so groß ist wie die des Ladezyklus. Jedoch ist der Arbeitszyklus des Taktsignals CS 1:1.
Da die Frequenz des Ladens des Kondensators 370 durch einen Vergleich der Spannungen an einem Kondensator 370 (Spannung V_C) und der Spannung an den Widerständen 440 bestimmt wird (Spannung V_R; V_R = V_C), wobei R der Gesamtwiderstandswert der Widerstände 440 ist, ist eine Frequenz f des Taktsignals CS gegeben durch f = 1/(2RCI_R/I_C + T_d), wobei I_R der Strom der weiteren Stromquelle 420 ist und I_C die Größenordnung des Stroms der Stromquelle 190 ist. T_d stellt eine Ladezeit des Kondensators 370 dar, die beträchtlich kürzer sein kann als eine Entladezeit. Während die Entladezeit mindestens teilweise durch die Stromquelle 190 bestimmt wird, wird die Ladezeit mindestens durch den Transistor 350 bestimmt, der – zumindest in dieser Ausführungsform – als ein großer Transistor implementiert ist. Darüber hinaus kann T_d von der Temperatur und der zugrundeliegenden Prozesstechnologie abhängen. Jedoch können diese in vielen Fällen in einer guten Approximierung vernachlässigt werden, wenn die Frequenz des Oszillatorschaltkreises 110 niedrig genug gewählt wird. Eine Frequenz, die hinreichend niedrig ist, damit die Variationen vernachlässigt werden können, kann im Bereich von mehreren MHz oder mehreren 10 MHz liegen. Durch Justieren der niedrigsten Frequenz auf weniger als 5 MHz können daher für alle praktischen Zwecke die Variationen, die zu T_d beitragen, klein oder niedrig genug sein.
Infolgedessen verhält sich die Frequenz proportional zu einem Verhältnis der Größenordnungen der Ströme I_C zu I_R, wobei k eine Konstante ist: f = kI_C/I_R
Änderungen der Größenordnung des Stroms I_C der Stromquelle werden präzise in die Frequenz übertragen, da sie in direktem Bezug zu der Zeit stehen, die für das Entladen des Kondensators 370 notwendig ist. Andererseits veranlasst die Größenordnung I_R der weiteren Stromquelle 420 lediglich, dass die Spannung V_R so variiert, dass sich die Frequenz indirekt proportional zu diesem Strom verhält. Jedoch kann ihr Bereich begrenzt sein.
9 zeigt ein Schaltbild der zwei Vormagnetisierungsgeneratoren 240, 250 und ihre Verbindung zu der Stromquelle 190 und der weiteren Stromquelle 420 gemäß einer Ausführungsform. Die Stromquelle 190 wird durch einen PMOS-Transistor 460 gebildet. Ein Gate-Anschluss des PMOS-Transistors 460 (PMOS = p-Channel Metal Oxide Semiconductor) ist mit einem Knoten 470 des ersten Vormagnetisierungsgenerators 240 gekoppelt, der als ein PTAT-Vormagnetisierungsgenerator auf der Grundlage einer Widlar-Stromquelle implementiert ist.
Der erste Vormagnetisierungsgenerator 240 umfasst einen ersten NMOS-Transistor 520 (NMOS = n-Channel Metal Oxide Semiconductor) und einen zweiten NMOS-Transistor 530, wobei der Drain-Anschluss des ersten NMOS-Transistors 520 mit einem Quellenanschluss eines dritten NMOS-Transistor 500 gekoppelt ist, während ein Drain-Anschluss des zweiten NMOS-Transistors 530 mit einem Quellenanschluss eines vierten NMOS-Transistors 510 gekoppelt ist. Der Drain-Anschluss des zweiten NMOS-Transistors 530 ist des Weiteren mit einem weiteren Knoten 540 gekoppelt, der ebenfalls mit beiden Gate-Anschlüssen des ersten und des zweiten NMOS-Transistors 520, 530 gekoppelt ist.
Der Vormagnetisierungsgenerator 240 umfasst des Weiteren einen ersten PMOS-Transistor 480 und einen zweiten PMOS-Transistor 490, die gekoppelt sind, um einen Stromspiegel zu bilden, wobei die zwei Gate-Anschlüsse der zwei PMOS-Transistoren 480, 490 mit dem Knoten 470 gekoppelt sind.
Der dritte NMOS-Transistor 500 und der vierte NMOS-Transistor 510 sind Teil einer Kaskode, wobei ein Drain-Anschluss des dritten NMOS-Transistors 500 mit dem Knoten 470 gekoppelt ist. Ein Drain-Anschluss des vierten NMOS-Transistors 510 ist mit beiden Gate-Anschlüssen der zwei NMOS-Transistoren 500, 510 gekoppelt.
Ein Widerstand 560 ist zwischen dem Quellenanschluss des ersten NMOS-Transistors 520 und einem Anschluss 550 für das Referenzpotenzial VSS gekoppelt. Infolgedessen bilden der erste PMOS-Transistor 480, der erste NMOS-Transistor 520, der dritte NMOS-Transistor 500 und der Widerstand 560 eine Reihenschaltung zwischen dem Anschluss 550 für das Referenzpotenzial und einem Anschluss für die Versorgungsspannung VDD. Auf der anderen Seite der Stromspiegel bilden der zweite PMOS-Transistor 490, der zweite NMOS-Transistor 530 und der vierte NMOS-Transistor 510 eine Reihenschaltung zwischen einem Anschluss 570 für das Referenzpotenzial und einem Anschluss für die Versorgungsspannung VDD. In der Ausführungsform, die zumindest teilweise in 9 gezeigt ist, umfasst der Widerstand 560 einen Widerstandswert, der hoch genug ist, dass der erste und der zweite NMOS-Transistor 520, 530 in ihren schwachen Invertierungsregimes betrieben werden.
Wie zuvor angesprochen, ist der erste Vormagnetisierungsgenerator 240 ein PTAT-Vormagnetisierungsgenerator. Dementsprechend unterscheiden sich der erste NMOS-Transistor 520 und der zweite NMOS-Transistor 530 hinsichtlich ihrer Abmessungen. Genauer gesagt, kann in der in 9 gezeigten Ausführungsform der erste NMOS-Transistor 520 in der Lage sein, ungefähr das Achtfache des Stroms des zweiten NMOS-Transistors 530 zu transportieren. Infolgedessen erzeugen der erste und der zweite NMOS-Transistor 520, 530 zusammen mit dem Widerstand 560 eine Spannung V_R, die sich proportional zu der absoluten Temperatur verhält.
Der zweite Vormagnetisierungsgenerator 250 umfasst einen Operationsverstärker 580, der mit dem weiteren Knoten 540 des ersten Vormagnetisierungsgenerators gekoppelt ist. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 580 ist mit einem Gate-Anschluss eines NMOS-Transistors 590 gekoppelt, während ein Quellenanschluss des NMOS-Transistors mit einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 580 gekoppelt ist. Infolgedessen ist der weitere Knoten 540 mit einem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 580 gekoppelt. Der Quellenanschluss des NMOS-Transistors 590 ist des Weiteren über einen Widerstand 600 mit einem Anschluss 610 für das Referenzpotenzial gekoppelt. Der zweite Vormagnetisierungsgenerator 250 umfasst des Weiteren einen PMOS-Transistor 620, der zwischen einem Anschluss für die Versorgungsspannung VDD und dem Drain-Anschluss des NMOS-Transistors 590 gekoppelt ist. Des Weiteren ist ein Gate-Anschluss des PMOS-Transistors 620 auch mit dem Drain-Anschluss des NMOS-Transistors 590 gekoppelt. Die weitere Stromquelle 420 umfasst auch einen PMOS-Transistor 630, dessen Gate-Anschluss ebenfalls mit dem Gate-Anschluss des PMOS-Transistors 620 des zweiten Vormagnetisierungsgenerators 250 gekoppelt ist. Dementsprechend bilden die zwei PMOS-Transistoren 620, 630 einen Stromspiegel.
Durch Einspeisen der Spannung über den zweiten NMOS-Transistor 530 zu dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 580 und durch Verwenden des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 580 zum Steuern des Gate-Anschlusses des NMOS-Transistors 590 wird die (ungefähr) umgekehrt proportionale Temperaturabhängigkeit der Spannung an dem zweiten NMOS-Transistor 530 als eine Funktion der Temperatur dafür verwendet, den PMOS-Transistor 630 der weiteren Stromquelle 420 zu steuern. Daher wird der zweite Vormagnetisierungsgenerator 250 auch als ein CTAT-Vormagnetisierungsgenerator oder ein IPTAT-Vormagnetisierungsgenerator bezeichnet.
Infolgedessen basiert die Stromquelle 190 in der in 9 gezeigten Ausführungsform auf einer PTAT-Stromquelle, während die weitere Stromquelle 420 auf einer CTAT-Stromquelle basiert.
10a und 10b zeigen ähnliche Diagramme wie die 6a und 6b. Es ist jedoch anzumerken, dass die gemeinsame Temperaturachse der zwei Diagramme mit Bezug auf die Illustration in 6a und 6b umgekehrt ist. Während 10a zwei Frequenz/Temperatur-Kennlinien 290 zeigt, zeigt 10b die resultierende Verhältnis/Temperatur-Kennlinie 300 der zwei Frequenz/Temperatur-Kennlinien 290, die in 10a gezeigt sind.
10a und 10b veranschaulichen die Verwendung von zwei Oszillatoren 110-1, 110-2, wie im Kontext von 1 veranschaulicht ist, für eine Frequenzmessung bei zwei verschiedenen Referenztemperaturen 260-1, 260-2. Die zwei Referenztemperaturen werden als 25°C und 85°C gewählt. Aufgrund der unterschiedlichen Verhaltensweisen mit Bezug auf die Temperatur der Oszillatorschaltkreise 110-1, 110-2 entstehen die Frequenz/Temperatur-Kennlinien 290-1, 290-2 der zwei Oszillatorschaltkreise 110-1 bzw. 110-2. Es ist jedoch anzumerken, dass Oszillatoren 110 mit identischer Temperaturabhängigkeit im Hinblick auf ihre Frequenzen möglicherweise nicht funktionieren, da diese in der Regel kein temperaturabhängiges Verhältnis erbringen. Natürlich können auch andere Referenztemperaturen 260 als die genannten Temperaturen verwendet werden.
In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Frequenzabhängigkeiten des ersten und des zweiten Oszillatorschaltkreises 110-1, 110-2 gegeben durch f = b₁T/(1 – a₁T) und f = (1 – a₂T)/b₂T .
Durch Messen der zwei Frequenzwerte bei den zwei Referenztemperaturen 260 ist ein System von Gleichungen mit zwei unbekannten Variablen (a₁, b₁; a₂, b₂) zu lösen. Daher können für beide Oszillatoren 110 die Frequenz/Temperatur-Kennlinien f(T) vorhersagbar sein. Infolgedessen kann das Verhältnis der Frequenzen und folglich der Zeitnehmerwerte dafür verwendet werden, Gegenmaßnahmen einzuleiten oder die Temperatur zu erfühlen.
Natürlich braucht ein Schaltkreis 100 zum Fühlen einer Temperatur oder – allgemein ausgedrückt – einer physikalischen Quantität keine Oszillatorschaltkreise 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Es können verschiedene Kombinationen für Stromquellen oder Bezugssignalschaltkreise verwendet werden; jedoch könnte mit einer Kombination aus einer Stromquelle 190 und einer weiteren Stromquelle 420 des Bezugssignalschaltkreises 200 mit einem positiven und einem negativen Gradienten eine verbesserte Genauigkeit erreicht werden. Oder anders ausgedrückt: Der erste Oszillator 110-1 kann auf einer Stromquelle 190 basieren, die als eine CTAT-basierte Stromquelle implementiert ist, während die weitere Stromquelle 420 als eine PTAT-basierte Stromquelle implementiert werden kann. Dementsprechend kann der zweite Oszillator 110-2 dergestalt implementiert werden, dass die Stromquelle 190 eine PTAT-basierte Stromquelle ist, während die weitere Stromquelle 420 eine CTAT- oder IPTAT-basierte Stromquelle ist.
Die Ausführungsform des Schaltkreises 100, wie in 1 gezeigt, kann daher auf der Erzeugung einer PTAT-basierten Spannung und einer CTAT-basierten Spannung basieren. Die Spannungen können je nach der Temperatur in lineare Ströme umgewandelt werden und dann durch den Oszillationsgenerator 180 in zwei Oszillatorfrequenzen mit verschiedenen Abhängigkeiten mit Bezug auf die physikalische Quantität, zum Beispiel die Temperatur, umgewandelt werden. Ein Schaltkreis 100 kann zum Beispiel als ein Temperatursensor oder ein Temperaturmonitor implementiert werden. Ein solcher Temperatursensor kann gegebenenfalls eine höhere Genauigkeit erbringen, weniger Fläche beanspruchen und weniger verzerrungsanfällig sein.
Ein Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher eine Verkleinerung der Fläche ermöglichen, die zum Implementieren eines solchen Schaltkreises notwendig ist, als es bei einer herkömmlichen Bauweise möglich ist, die auf der Grundlage des Vergleichens und Evaluierens eines Spannungspegels ohne Nutzung der Frequenz arbeitet. Es kann möglich sein, für einige Schaltkreise 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Fläche von Schaltkreisen bis um 50% zu verkleinern. Jedoch können auch kleinere oder sogar noch größere Flächenverkleinerungen erreichbar sein. Darüber hinaus braucht aufgrund der Nutzung der Frequenz anstatt einer Spannung ein Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt durch die Granularität beschränkt zu sein, die durch den Komparatorschaltkreis verursacht wird. Es könnte daher möglich sein, eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Dynamische Verzerrungen können letztlich herausgemittelt werden, was bei einer herkömmlichen Herangehensweise zu einer Alarmsituation führen kann.
Des Weiteren kann ein Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Lage sein, künftige Genauigkeitserfordernisse einfacher zu erfüllen, da eine höhere Genauigkeit erreichbar sein kann, indem man die Anzahl der zu zählenden Flanken (vorgegebene Anzahl) vergrößert. Des Weiteren kann die Anzahl der Bauelemente, die auf einen höheren Genauigkeitsgrad gefertigt werden müssen, im Vergleich zu einer herkömmlichen Bauweise verringert werden. Daher kann die Bauweise im Hinblick auf die Serienstreuung zuverlässiger gestaltet werden.
Des Weiteren kann ein Schaltkreis 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie der anderen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung einen einfacheren Zugang zu höheren oder niedrigeren Temperaturen aufgrund der Verwendung PTAT-basierter und CTAT-basierter Stromquellen während des Betriebes im Feld sowie die Möglichkeit einer genaueren Erfassung bieten. Infolgedessen kann es möglich sein, weniger strenge Testbedingungen während des Kalibrierungsprozesses zu verwenden. Die Kosten für die Testausrüstung zum Kalibrieren von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung können daher reduzierbar sein. Darüber hinaus lassen Schätzungen darauf schließen, dass ein Stromverbrauch ungefähr im gleichen Bereich liegen kann wie eine herkömmliche Herangehensweise.
Indem man zwei Oszillatorschaltkreise 110 verwendet, oder indem man eine Stromquelle und einen Bezugssignalschaltkreis mit entgegengesetzten Temperaturabhängigkeiten verwendet, ist es möglich, dass die absoluten Werte der Oszillatorfrequenzen keine weitere Bedeutung mehr haben. Daher brauchen keine präzisen, vorgegebenen und festen Referenzoszillatoren mehr implementiert zu werden. Natürlich können sie je nach der konkreten Implementierung einer Ausführungsform Teil eines Schaltkreises 100 oder einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung sein. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen die Feststellung der Temperatur oder der physikalischen Quantität auf das Bestimmen des Verhältnisses der Frequenzen reduzierbar sein. Daher kann das Überwachen einer Temperatur oder einer anderen physikalischen Quantität mit einem größeren Temperaturbereich mit weniger Aufwand realisierbar sein.
Die Beschreibung und die Zeichnungen veranschaulichen lediglich die Prinzipien der Erfindung. Es versteht sich daher, dass der Fachmann in der Lage ist, verschiedene Anordnungen zu ersinnen, die, obgleich sie im vorliegenden Text nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und unter ihren Geist und Geltungsbereich fallen. Des Weiteren ist ausdrücklich beabsichtigt, dass alle im vorliegenden Text beschriebenen Beispiele prinzipiell nur Lehrzwecken dienen, um dem Leser das Verständnis der Prinzipien der Erfindung und der Konzepte, die durch den oder die Erfinder zur Förderung des Standes der Technik beigetragen werden, zu erleichtern, und so zu verstehen sind, dass sie keine Beschränkung auf diese ausdrücklich beschriebenen Beispiele und Bedingungen darstellen. Darüber hinaus ist beabsichtigt, dass alle Aussagen im vorliegenden Text, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sowie konkrete Beispiele davon beschreiben, auch deren Äquivalente umfassen.
Funktionsblöcke, die als „Mittel zum ...” (Ausführen einer bestimmten Funktion) bezeichnet werden, sind als Funktionsblöcke zu verstehen, die Schaltungen umfassen, die zum Ausführen einer bestimmten Funktion gedacht sind. Folglich kann ein „Mittel für etwas” auch verstanden werden als ein „Mittel, das für etwas konfiguriert oder geeignet ist”. Ein Mittel, das zum Ausführen einer bestimmten Funktion ausgelegt ist, impliziert daher nicht, dass dieses Mittel unbedingt die betreffende Funktion (in einem bestimmten Augenblick) ausführt.
Die Funktionen der verschiedenen Elemente, die in den Figuren gezeigt sind, einschließlich aller Funktionsblöcke, die als „Mittel”, „Mittel zum Bilden”, „Mittel zum Bestimmen” usw. bezeichnet sind, können durch die Verwendung dedizierter Hardware, wie zum Beispiel „einen Bilder”, „einen Bestimmer” usw., sowie durch Hardware, die in der Lage ist, Software auszuführen, in Verbindung mit geeigneter Software ausgeführt werden. Bei Verwendung eines Prozessors können die Funktionen durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinsam genutzten Prozessor oder durch mehrere individuelle Prozessoren ausgeführt werden, von denen einige gemeinsam genutzt werden können. Darüber hinaus darf die Verwendung der Begriffe „Prozessor” oder „Controller” nicht so verstanden werden, als bezögen sie sich allein auf Hardware, die in der Lage ist, Software auszuführen, sondern sie können implizit, ohne Beschränkung darauf, auch Digitalsignalprozessor(DSP)-Hardware, Netzwerkprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA), Nurlesespeicher (ROM) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM) und nichtflüchtige Speicher beinhalten. Andere Hardware, herkömmlicher und/oder spezieller Art, kann ebenfalls beinhaltet sein. Gleichermaßen sind alle in den Figuren gezeigten Schalter nur konzeptueller Art. Ihre Funktion kann durch den Betrieb von Programmlogik, durch dedizierte Logik und durch die Interaktion von Programmsteuerung und dedizierter Logik ausgeführt werden, wobei die spezielle Technik durch den Implementierenden so ausgewählt werden kann, wie es aus dem jeweiligen Kontext heraus konkret ersichtlich ist.
Dem Fachmann leuchtet ein, dass alle Blockdiagramme im vorliegenden Text konzeptuelle Ansichten veranschaulichender Schaltungen darstellen, die die Prinzipien der Erfindung verkörpern. Gleichermaßen versteht es sich, dass alle Flussdiagramme, Ablaufgrafiken, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbaren Medien dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, unabhängig davon, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich gezeigt ist oder nicht.
Des Weiteren werden die folgenden Ansprüche hiermit in die Detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch für sich allein als eine separate Ausführungsform stehen kann. Obgleich jeder Anspruch für sich allein als eine separate Ausführungsform stehen kann, ist anzumerken, dass – obgleich ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs beinhalten können. Solche Kombinationen werden im vorliegenden Text vorgeschlagen, sofern nicht ausgesagt ist, dass eine spezielle Kombination nicht beabsichtigt ist. Des Weiteren ist es beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in andere unabhängige Ansprüche aufzunehmen, selbst wenn dieser Anspruch nicht unmittelbar von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Es ist des Weiteren anzumerken, dass Verfahren, die in der Spezifikation oder in den Ansprüchen offenbart werden, durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die Mittel zum Durchführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweisen.
Des Weiteren versteht es sich, dass die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen, die in der Spezifikation oder den Ansprüchen offenbart sind, nicht so ausgelegt werden dürfen, dass sie in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Daher beschränkt die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, sofern solche Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht untereinander austauschbar sind.
Des Weiteren kann in einigen Ausführungsformen ein einzelner Schritt mehrere Unterschritte beinhalten oder kann in mehrere Unterschritte untergliedert werden. Solche Unterschritte können in der Offenbarung dieses einzelnen Schrittes beinhaltet und ein Teil davon sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Claims

Ein Schaltkreis (100) zum Fühlen einer physikalischen Quantität, wobei der Fühlerschaltkreis (100) Folgendes umfasst: einen ersten Oszillatorschaltkreis (110-1), der dafür konfiguriert ist, ein erstes Taktsignal (CS1) bereitzustellen, das eine erste Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist; einen zweiten Oszillatorschaltkreis (110-2), der dafür konfiguriert ist, ein zweites Taktsignal (CS2) bereitzustellen, das eine zweite Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist; und einen Frequenzkomparatorschaltkreis (120), der dafür konfiguriert ist, ein Frequenzsignal (FS) bereitzustellen, das die physikalische Quantität anzeigt, wobei das Frequenzsignal (FS) auf der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz basiert, wobei der erste Oszillatorschaltkreis (110-1) und der zweite Oszillatorschaltkreis (110-2) dafür konfiguriert sind, das erste Taktsignal (CS1) bzw. das zweite Taktsignal (CS2) dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität entweder die erste Frequenz oder die zweite Frequenz zunimmt, während die andere der ersten Frequenz bzw. der zweiten Frequenz abnimmt.
Schaltkreis (100) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Oszillatorschaltkreis (110) des ersten Oszillatorschaltkreises (110-1) und des zweiten Oszillatorschaltkreises (110-2) dafür konfiguriert ist, das erste Taktsignal (CS1) bzw. das zweite Taktsignal (CS2) dergestalt bereitzustellen, dass sich die jeweilige Frequenz im Wesentlichen nicht-linear mit der physikalischen Quantität ändert.
Schaltkreis (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Frequenzkomparatorschaltkreis (120) dafür konfiguriert ist, das Frequenzsignal (FS) dergestalt bereitzustellen, dass es ein Verhältnis der Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz anzeigt.
Schaltkreis (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Frequenzkomparatorschaltkreis (120) dafür konfiguriert ist, das Frequenzsignal (FS) auf der Grundlage des Zählens einer Anzahl der Flanken des ersten Taktsignals (CS1) oder des zweiten Taktsignals (CS2) während eines Zeitraums bereitzustellen, wobei der Zeitraum von einer vorgegebenen Anzahl der Flanken des ersten Taktsignals (CS1) bzw. des zweiten Taktsignals (CS2) abhängig ist.
Schaltkreis (100) nach Anspruch 4, wobei der Frequenzkomparatorschaltkreis (120) so konfiguriert ist, dass die vorgegebene Anzahl eine feste ganze Zahl oder eine programmierbare ganze Zahl ist.
Schaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, der des Weiteren einen Evaluierungsschaltkreis (150) umfasst, der dafür konfiguriert ist, das Frequenzsignal (FS) zu empfangen und ein Statussignal (SS) als Reaktion darauf auszugeben, wenn das Frequenzsignal (FS) eine vorgegebene Bedingung erfüllt.
Schaltkreis nach Anspruch 6, wobei der Evaluierungsschaltkreis (150) so konfiguriert ist, dass die vorgegebene Bedingung fest oder programmierbar ist.
Schaltkreis nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Frequenzkomparatorschaltkreis (120) dafür konfiguriert ist, das Frequenzsignal (FS) dergestalt bereitzustellen, dass es ein Verhältnis der Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz anzeigt, und wobei der Evaluierungsschaltkreis (150) so konfiguriert ist, dass die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wenn das Verhältnis eine erste vorgegebene Schwelle übersteigt oder kleiner als eine zweite vorgegebene Schwelle ist.
Schaltkreis (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schaltkreis (100) auf einem einzelnen, monolithischen integrierten Schaltkreis implementiert ist.
Schaltkreis (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die physikalische Quantität eine Temperatur ist.
Schaltkreis (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Oszillatorschaltkreis (110) des ersten Oszillatorschaltkreises (110-1) und des zweiten Oszillatorschaltkreises (110-2) Folgendes umfasst: einen Oszillationsgenerator (180), der dafür konfiguriert ist, ein Taktsignal bereitzustellen, wobei der Oszillationsgenerator (180) einen Komparator (210) umfasst; eine Stromquelle (190), die mit einem ersten Eingang des Komparators (210) gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, einen Strom bereitzustellen, der eine Kapazität mindestens teilweise lädt oder entlädt, wobei die Größenordnung des Stroms von der physikalischen Quantität abhängt; und einen Bezugssignalschaltkreis (200), der mit einem zweiten Eingang des Komparators (210) gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, ein Bezugssignal bereitzustellen, wobei die Größenordnung des Bezugssignals von der physikalischen Quantität abhängt, wobei die Stromquelle (190) und der Bezugssignalschaltkreis (200) dafür konfiguriert sind, den Strom bzw. das Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität die Größenordnung des Stroms oder des Bezugssignals zunimmt, während die andere Größenordnung des Stroms bzw. des Bezugssignals abnimmt.
Verfahren zum Fühlen einer physikalischen Quantität, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines ersten Taktsignals (CS1), das eine erste Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist; Bereitstellen eines zweiten Taktsignals (CS2), das eine zweite Frequenz umfasst, die von der physikalischen Quantität abhängig ist; Bestimmen eines Verhältnisses der Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz; und Bereitstellen eines Frequenzsignals (FS), das die physikalische Quantität anzeigt, wobei das Frequenzsignal auf dem bestimmten Verhältnis der Frequenzwerte basiert, wobei das erste Taktsignal (CS1) und das zweite Taktsignal (CS2) so bereitgestellt werden, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität entweder die erste Frequenz oder die zweite Frequenz zunimmt, während die andere der ersten Frequenz bzw. der zweiten Frequenz abnimmt.
Oszillatorschaltkreis (110), der Folgendes umfasst: einen Oszillationsgenerator (180), der dafür konfiguriert ist, ein Taktsignal (CS) bereitzustellen, wobei der Oszillationsgenerator (180) einen Komparator (210) umfasst; eine Stromquelle (190), die mit einem ersten Eingang des Komparators (210) gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, einen Strom bereitzustellen, wobei die Größenordnung des Stroms von der physikalischen Quantität abhängt; und einen Bezugssignalschaltkreis (200), der mit einem zweiten Eingang des Komparators (210) gekoppelt ist und dafür konfiguriert ist, ein Bezugssignal bereitzustellen, wobei die Größenordnung des Bezugssignals von der physikalischen Quantität abhängt, wobei die Stromquelle (180) und der Bezugssignalschaltkreis (200) dafür konfiguriert sind, den Strom bzw. das Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass aufgrund einer Änderung der physikalischen Quantität die Größenordnung des Stroms oder des Bezugssignals zunimmt, während die andere Größenordnung des Stroms bzw. des Bezugssignals abnimmt.
Oszillatorschaltkreis (110) nach Anspruch 13, wobei der Oszillationsgenerator (180) des Weiteren einen Kondensator (370) umfasst und wobei die Stromquelle mit dem Kondensator (370) dergestalt gekoppelt ist, dass die Stromquelle (190) dafür konfiguriert ist, den Kondensator (370) zu laden oder zu entladen.
Oszillatorschaltkreis (110) nach Anspruch 14, wobei der Oszillationsgenerator (180) des Weiteren einen Transistor (350) mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem Steuerungsanschluss umfasst, wobei der erste Anschluss mit der Stromquelle (190) und dem Kondensator (370) gekoppelt ist, der zweite Anschluss mit einem Versorgungsspannungsanschluss (360) gekoppelt ist und der Steuerungsanschluss mit einem Ausgang des Komparators (210) gekoppelt ist.
Oszillatorschaltkreis (110) nach Anspruch 15, wobei der Oszillationsgenerator (180) des Weiteren einen Treiberschaltkreis (320) umfasst, der zwischen dem Ausgang des Komparators (210) und dem Steuerungseingang des Transistors (350) gekoppelt ist.
Oszillatorschaltkreis (110) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Oszillationsgenerator (180) des Weiteren einen Flipflop (400) umfasst, der mit dem Ausgang des Komparators (210) gekoppelt ist, wobei der Flipflop (400) dafür konfiguriert ist, zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umzuschalten, wenn ein Signal mit einer vorgegebenen Flanke in den Flipflop (400) eingespeist wird.
Oszillatorschaltkreis (110) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei mindestens ein Schaltkreis der Stromquelle (190) und des Bezugssignalschaltkreises (200) dafür konfiguriert ist, den Strom oder das Bezugssignal dergestalt bereitzustellen, dass sich die Größenordnung linear oder umgekehrt linear mit der physikalischen Quantität ändert.
Oszillatorschaltkreis (110) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der Bezugssignalschaltkreis (200) eine weitere Stromquelle (420) und einen Widerstand (440) umfasst, wobei der Bezugssignalschaltkreis (200) dafür konfiguriert ist, Spannung in den zweiten Eingang des Komparators (210) einzuspeisen.
Oszillatorschaltkreis (110) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die physikalische Quantität eine Temperatur ist, und/oder wobei die Stromquelle (190) auf einer Proportional-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle basiert und der Bezugssignalschaltkreis (200) auf einer Komplementär-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle basiert, oder wobei die Stromquelle (190) auf einer Komplementär-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle basiert und der Bezugssignalschaltkreis (200) auf einer Proportional-zu-Absolut-Temperatur-Stromquelle basiert.