JP2007527990A

JP2007527990A - 温度較正の方法および構成

Info

Publication number: JP2007527990A
Application number: JP2006516733A
Authority: JP
Inventors: サシャ、ロミアー; パトリック、エルハーフェン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2007-10-04
Also published as: CN100437061C; CN1813175A; US20070195858A1; WO2005001405A1; EP1642103A1; US7552022B2

Abstract

本発明は、チップの実際の較正されていない温度Ｔ_１に比例する第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）を供給する信号生成ユニット（２）を有する、温度設定曲線を較正するための半導体チップ上の構成に関する。第２の温度にチップを導くのを避けるために、チップの実際の較正されていない温度Ｔ１に比例する第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）を読み出しするとともに、第２の信号（Ｉ_ptat2、Ｖ_ptat2、ｆ_ptat2）を特徴付ける第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）に結合される信号オフセット（Ｉ_virt、Ｖ_virt、ｆ_virt）を生成し、そして、第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）からの第１の実際の温度Ｔ_１を抽出することおよび第２の信号（Ｉ_ptat2、Ｖ_ptat2、ｆ_ptat2）から第２の較正されていない温度Ｔ₂を抽出することが提案される。

Description

本発明は半導体チップの温度設定曲線を較正する方法に関し、さらに、本発明は温度設定曲線を較正する構成に関する。

チップの適当なパラメータを調整するために、信頼性のある温度が必要とされる。この温度は、特有な信号および半導体チップに対する温度設定曲線（a temperature setting curve）から抽出される。

チップの正確な温度を把握することは、非常に重要であり、チップを動作するための多くのパラメータが実際の温度に関係するので、それ故、もしこの温度が揺らげばパラメータは実際の温度に適応される。例えば、ディスプレイ構成を動作させるために、ある電圧が必要である。供給された電圧は、チップ温度に依存し、ある環境や周囲の状態の下に異なる。それ故、チップの実際の温度は、要求された電圧を適応するために測定される。

センサの温度曲線を較正するある可能性は、オフセット（offset）または曲線の傾きのみを較正するものである。このアプローチの不利益は、温度読み出しがある温度点(（temperature point）較正点（calibration point）)においてのみ正確であることである。もし温度設定曲線の傾きが正確でなければ、測定された温度は、実際の温度との不整合を有することとなる。測定の正確な結果を得るために、この傾きは較正されなければならないだろう。

２つの温度点を用いてチップの温度設定曲線を較正することが知られている。それらの温度点を得るために、チップまたはデバイスは２つの異なる温度点に導かれなければならない。２つの異なる温度にチップを導くことは、全体的なテスト時間よりも長い多くの時間を要する。

それ故、本発明の目的は、要求された正確さを維持しながら、非常に短い時間で半導体チップの温度設定曲線を較正する方法と構成とを提供することである。

この目的は、独立項の特徴により解決される。

この解法は、温度抽出ユニット（temperature extracting unit）が誤った方向に導かれ得るという考え方に基づくものである。このミスリード（misreading）を達成するために、第１の信号および信号オフセットを生成することが可能な信号生成ユニット（signal generation unit）が備えられている。第１の温度点は、温度に比例する第１の信号を読み出すことにより得られる。第２の温度点を得るために、信号生成ユニットは第１の信号に結合される信号オフセットを生成し、そこで、抽出ユニットは第２の温度に対応する第２の信号を読み出し、この第２の信号は、単に仮想的なものなのでチップに存在しない。

そこで、温度抽出ユニットは２つの温度点を計算することができ、それらは第１の実際の温度に比例する第１の信号に基づく第１の温度点と、第１の信号と信号オフセットの結合である第２の信号に基づく第２の温度点である。この第２の信号は、第２の温度点または所謂仮想の温度点に比例する。これらの２つの温度点を知ることにより、特定のチップの実の温度曲線の傾きおよび推移（course）を計算することが可能である。この認識から離れて、較正値は、非常に正確な温度曲線を得るために計算される。

このタイプの温度較正は、いろんなチップ上の温度センサにおいて用いられることができる。

本発明のある態様は、電流信号Ｉ_ptat1を生成する信号生成ユニットに着目している。この第１の電流信号Ｉ_ptat1は、温度抽出ユニットに供給され、第１の温度点Ｔ_１が計算される。信号生成ユニットのこの動作は、そこで、第２の電流信号Ｉ_ptat2に切り替えられ、それ故、電流オフセットＩ_virtが生成されるとともに第１の電流信号Ｉ_ptat1に結合される。結果として得られる第２の電流信号Ｉ_ptat2は、第２の温度点Ｔ_２を計算しさらに温度設定曲線を較正する温度抽出ユニットに供給される。電流に基づくアーキテクチャ（a current based architecture）は、容易に認識され、それにより、小さいチップ領域が要求されるが、高度の正確さを提供する。

本発明のさらなる態様は、第１の信号が温度抽出ユニットに供給されるべき電圧Ｖ_ptatとして認識される、実施例に着目している。チップの較正のために、電圧オフセットＶ_virtが信号生成ユニットにより生成され、そして第１の電圧Ｖ_ptat1に結合される。この結果として得られる第２の電圧Ｖ_ptat2が温度抽出ユニットに供給され、第２の温度点または仮想温度点Ｔ₂が計算され、温度設定曲線の較正を容易にする。信号抽出ユニットおよび参照信号に応じて、電圧に基づくアーキテクチャ（a voltage based architecture）を用いることは有利であり得る。しかし、最良の可能な正確さを維持する電圧よりも電流を結合する方が容易である。

本発明のさらなる態様は、第１の信号が温度に比例する周波数ｆ_ptatとして認識される、実施例に着目している。第２の温度点Ｔ_２の較正は、第１および第２の既述の実施例と同様に実行される。もし取得可能な参照信号が周波数である場合、周波数の使用は有利でありえ、しかしながら、周波数の使用は電圧または電流信号を結合するよりも、より困難である。

本発明の目的は、半導体チップの温度センサ構成の温度設定曲線を較正する方法によっても解決され、この方法は、
−チップの実際の温度Ｔ₁に比例する、第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）の読み出し、
−第２の信号（Ｉ_ptat2、Ｖ_ptat2、ｆ_ptat2）を特徴付ける第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）と結合する信号オフセット（Ｉ_virt、Ｖ_virt、ｆ_virt）を生成し、
−第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）から第１の実際の温度Ｔ₁を抽出するとともに、第２の信号（Ｉ_ptat2、Ｖ_ptat2、ｆ_ptat2）から第２の実際の温度Ｔ₂を抽出する。

さらなる実施例において、結果として得られる温度（Ｔ₁、Ｔ₂）は、チップに対する較正パラメータを準備するために用いられる。

さらに、較正パラメータの計算は、用途により、チップ上でまたはチップ外で実行されることができる。

さらに、追加の信号オフセット（Ｉ_virt2、Ｖ_virt2、ｆ_virt2）は、２つ以上の温度点Ｔ_nを計算するために準備され、それ故、非線形の温度設定曲線が較正され得ることができる。

さらなる実施例において、信号オフセット（Ｉ_virt、Ｖ_virt、ｆ_virt）は、温度抽出ユニット（３）に供給される第２の信号（Ｉ_ptat2、Ｖ_ptat2、ｆ_ptat2）を特徴付ける、第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）から減算されるか、または、第１の信号（Ｉ_ptat1、Ｖ_ptat1、ｆ_ptat1）に加算される。

本発明がよく理解される目的で、ここでは、例示の方法で与えられる、その幾つかの実施例が添付図面を参照して説明される。

図１は、本発明に従うオンチップ温度センサ（an on chip temperature sensor）のブロック図を示す。信号生成ユニット２は、温度に比例する第１の信号を生成する。この第１の信号は、第１の温度点を計算するために、温度抽出ユニット３に供給される。さらに、この信号生成ユニット２は、較正手順の間に、第２の信号を特徴付ける第１の信号に結合される信号オフセットを生成する。温度抽出ユニット３に第２の信号を供給することにより、温度抽出ユニット３は誤った方向に導かれる。この温度抽出ユニット３は、チップを第２の温度に加熱することなく、第２の温度点を計算する。

温度抽出ユニット３に供給されるこの信号は、例えば、ＡＤコンバータ４で変換され、そして、温度抽出ユニット３は、いくつかのスキームを用いて、実施されるデジタル方式で供給された信号の中から実際の温度を計算する。これらのスキームはプログラムされ、以下により詳細に説明される式に基づく。

このようにして、温度設定曲線の較正は、非常に短い時間、例えば、単温度点を得るのみのテスト手順の間で実行される。特に、信号生成ユニット２の信号オフセットを生成するためのチップ領域での努力は非常に小さい。

図２は、本発明に従う第１の実施例を示す。ここで、第１の信号は、もしスイッチ２１が開放されれば、電流信号Ｉ_ptat1として認識される。較正手順の間、第１の信号Ｉ_ptat1は、第１の温度点Ｔ₁を計算する温度抽出ユニット３に供給される。この温度Ｔ₁は、実際のそして較正されていないチップ温度に対応する。この温度Ｔ₁の計算の後、スイッチ２１が閉じられ、そして、第２の電流Ｉ_ptat2が生成される。このスイッチ２１が閉じられた後、電圧ΔＶbe₂が２つのバイポーラトランジスタＢＴ１とＢＴ２との間に現れる。この電圧ΔＶbe₂
は、仮想のそして較正されていない温度Ｔ₂に対応する電流Ｉ_ptat2に変換される。

以下においては、バンドギャップ回路の機能性が簡単に説明される。オペアンプは、２つのオペアンプ入力間の相違がゼロに調整されるような方法で、ＰＭＯＳ型トランジスタＰ１−Ｐ４のゲート電位を設定する。

以下においては、それぞれの温度点を計算するための計算式が検討される。

温度Ｔ_testで：Δｖbe_Ttest= Vbe1 - Vbe2 = (kT/q)ln(n₁*n₂)｜T=T_test（１）
式（１）は、第１の温度点を計算するためのものである。
Δｖbe_Ttest= 第１の温度T_testでのＢＴ１とＢＴ２との間の電圧
Vbe１＝基準エミッタ電圧ＢＴ１
Vbe２＝基準エミッタ電圧ＢＴ２
ｋ＝ボルツマン定数
Ｔ＝絶対温度（Ｋ）
ｑ＝電子の電荷
ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３＝いくつの単位トランジスタが並列に接続されたかを示す増倍率（multiplication factor）
ｘ＝精度、回路構成のサイズ等のようなパラメータに依存する変数

増倍率ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３は、要求された正確さ、利用可能なチップ領域、電流消費に依存して選択される。増倍率ｎ_２に高い値を有する利点は、良い精度を導く高いΔｖbeである。しかしながら、高いｎ_２は、バイポーラトランジスタＢＴ２の認識のために多くのチップ領域を要求する。増倍率ｎ_１に高い値を有する利点は、良い精度をまた導く高いΔｖbeである。その場合高い電流消費が不利益であり、さらに、もう少し広いチップ領域を要求する。しかし、非常に高くｎ_１を選択することは、カレントミラーのずれによる低い精度に帰着することとなる。増倍率ｎ_３に高い値を採ることは、２つの温度点がより隔てられるので、それゆえ、信号オフセットは高くなり、高い精度を導くこととなる。欠点は、増加されたチップ領域と較正の間の高い電流消費である。正確さ、チップ領域、および、電流消費に対するよい折衷案は、ｎ_１＝１０、ｎ_２＝２４、ｎ_３＝１７で達成される。

式（２）が、第２の温度点T₂(スイッチ回路２１が閉じられている)を計算するために使用される。

Ｔに対する温度Ｔ_testにおいて：
Δｖbe₂= Vbe1 - Vbe2 = (k*T/q)*ln(（n₁＋n₃)*n₂)｜T=T_test (２)
式（１）および式（２）を用いることにより、仮想の温度T₂は、式（３）で計算される。
Ｔ₂＝Ｔ_test*ln(（n₁＋n₃)*n₂)/ ln(n₁*n₂) （３）
温度に比例する電流信号は、測定され、そして物理的な法則に基づく。
Ｉ_ptat＝ Δｖbe/R （４）

図３は、本発明に従う代替的な実施例を示す。

この実施例において、第１の電圧Ｖ_ptat1は生成されるとともに、温度抽出ユニット３に供給される。第２の電圧または仮想の電圧を生成するために、スイッチ２１は閉じられ、Ｔ₂に対応するＶ_ptat2は温度抽出ユニット３に供給される。この構造を用いることにより、仮想の温度点が生成され得る。この仮想の温度点T₂およびＴ_test点で、較正されていない温度曲線の傾きを較正することが可能であり、それにより、ある１つの温度でチップをテストする間に較正を可能にさせ、時間を節約する。

仮想温度を生成するための信号生成ユニット２に対するさらなる実施例が図４に示される。この実施例において、電流Ｉ_ptat2は、スイッチ２１を閉じることにより減じられる。それにより、第２の温度Ｔ_２はＴ₁よりも低くなる。温度抽出ユニット３で要求された変更がない。以下の式は、図４に対応する。

Ｔ_２に対する温度Ｔ_testにおいて：Δｖbe₂= Vbe1 - Vbe2 = (k*T/q)*ln(（n₁−n₃)*n₂)｜T=T_test（４）
式（１）および式（４）を用いることにより、仮想温度Ｔ₂が式（５）で計算され得る。
Ｔ₂＝Ｔ_test*ln(（n₁−n₃)*n₂)/ ln(n₁*n₂)

この実施例は、Ｔ₂がＴ_testより小さいので、有利である。テスト手順間の温度Ｔ_testは、典型的には８５度であるので、Ｔ_testよりも低いＴ₂はシステムの動作を通常の動作モードに近づける。しかしながら、カレントミラーを通じた電流のコピーは、より低い正確さの較正に至る追加のエラーを導く。

オンチップ温度センサを示すブロック図である。本発明に従う信号生成ユニットの第１の実施例を示す図である。本発明に従う信号生成ユニットの代替的な実施例を示す図である。本発明に対応する信号生成ユニットの代替的な実施例を図である。

Claims

温度設定曲線を較正するための半導体チップ上の構成であって、
前記チップの実際の温度に比例する第１の信号を供給する信号生成ユニットを備え、第２の信号を特徴付ける前記第１の信号と結合される信号オフセットが前記信号生成ユニットにより生成可能であり、
前記第１の信号に基づいて第１の温度点を計算するとともに前記第２の信号に基づいて第２の温度点を計算するために、前記第１の信号および前記第２の信号を受信する信号抽出ユニットを備える構成。
前記チップの実際の温度に比例する前記第１の信号は、電流、電圧、または、周波数であることを特徴とする請求項１に記載の構成。
前記第１の信号および前記第２の信号は、デジタル信号に変換可能であり、前記温度抽出ユニットは、温度設定曲線を較正するために第１および第２の温度点を計算することを特徴とする請求項１に記載の構成。
半導体チップ上の温度センサ構成の温度設定曲線を較正する方法であって、
前記チップの実際の温度に比例する第１の信号の読み出し、
第２の信号を特徴付ける前記第１の信号と結合する信号オフセットを生成し、
前記第１の信号から第１の実際の温度を抽出するとともに、前記第２の信号から第２の実際の温度を抽出する方法。
結果として得られる前記温度は、前記チップに対する較正パラメータを供給するために用いられることを特徴とする請求項４に記載の方法。
較正パラメータの計算は、チップ上でまたはチップ外で実行されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
追加の信号オフセットは、２つ以上の温度点を計算するとともに非線形の温度設定曲線を較正するために供給されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記信号オフセットは、前記第１の信号から減算されるか、または、温度抽出ユニットに供給される前記第２の信号を特徴付ける前記第１の信号に加算されることを特徴とする請求項４に記載の方法。