KR102338628B1 - 온도 센서 회로 및 이를 구비하는 반도체 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상이한 전원 전압으로 인해 발생하는 전파 지연을 보정할 수 있는 온도 센서 회로 및 이를 구비하는 반도체 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 온도 센서 회로는, 인에이블 신호에 따라 기동하여 소정의 발진 주파수를 가진 구형파 신호를 출력하는 링 오실레이터; 상기 링 오실레이터의 발진 주파수를 소정의 주파수를 가진 펄스로 분주하는 분주기; 상기 분주기로부터 출력되는 펄스를 외부로부터 인가되는 외부 클럭에 따라 카운트하는 카운터; 상기 분주기로부터 출력되는 펄스에 따라 상기 카운터의 출력을 일시 저장하고, 일시 저장된 디지털 코드를 출력하는 래치; 및 상기 분주기로부터 출력되는 펄스에 따라 스위칭 되고 인가되는 전원전압의 레벨 변화에 무관한 기준전압과 상기 전원전압의 레벨 변화에 비례하는 비교전압을 비교하여 스위칭 로직을 출력하는 전원전압 모니터를 포함한다.

Description

온도 센서 회로 및 이를 구비하는 반도체 장치{TEMPERATURE SENSOR CIRCUIT AND SEMICONDUCTOR DEVICE INCLUDING IT}
본 발명은 온도 센서 회로 및 이를 구비하는 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상이한 전원 전압에 따른 전파 지연 변화를 보정할 수 있는 온도 센서 회로 및 이를 구비하는 반도체 장치에 관한 것이다.
이동통신 기술의 발전에 따라 최근 모바일 기기에서 음성통화나 SMS의 송수신은 물론이고, 드라마나 영화 같은 동영상을 시청하거나, 게임을 실행하는 등 다양한 서비스를 구현할 수 있게 되었다. 이에 따라 모바일 기기의 배터리 사용시간을 늘리기 위한 기술들이 연구되고 있다. 일예로 모바일 기기의 반도체 집적 회로, 예컨대, 디지털 신호 처리부 내에 온도 센서를 집적하고, 집적된 온도 센서를 통해 모바일 기기의 온도를 검출하는 기술이 제시되고 있다.
모바일 기기를 소정 온도 범위로 유지시킴으로써 모바일 기기의 성능 저하를 방지하고, 신뢰성을 향상시키며, 과열로 인해 회복 불가능한 상태에 이르게 되는 것을 방지하고, 히트 싱크의 사이즈를 줄이고, 배터리의 방전 전력을 줄임으로써 전력을 효율적으로 사용할 필요가 있다.
미국공개특허 US2016/0266552호 TIME MEASURING CIRCUIT AND TEMPERATURE SENSOR CIRCUIT 일본등록특허 제4843034호 온도 센서용 링 오실레이터, 온도 센서 회로 및 이것을 구비하는 반도체 장치
온도 센서 회로가 반도체 장치에 공급되는 소정의 전원 전압, 예컨대, 1V의 전압 레벨에 최적화되도록 설계될 수 있다. 그런데, 반도체 장치에 따라 전원 전압으로 0.9V 또는 1.1V의 전압 레벨이 공급될 수 있다. 이러한 경우 링 오실레이터 내 인버터의 전파 지연으로 인해 온도 검출이 부정확해질 수 있다.
따라서 본 발명은 상이한 전원 전압으로 인해 발생하는 전파 지연을 보정할 수 있는 온도 센서 회로 및 이를 구비하는 반도체 장치를 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 따른 온도 센서 회로는, 인에이블 신호에 따라 기동하여 소정의 발진 주파수를 가진 구형파 신호를 출력하는 링 오실레이터; 상기 링 오실레이터의 발진 주파수를 소정의 주파수를 가진 펄스로 분주하는 분주기; 상기 분주기로부터 출력되는 펄스를 외부로부터 인가되는 외부 클럭에 따라 카운트하는 카운터; 상기 분주기로부터 출력되는 펄스에 따라 상기 카운터의 출력을 일시 저장하고, 일시 저장된 디지털 코드를 출력하는 래치; 및 상기 분주기로부터 출력되는 펄스에 따라 스위칭 되고 인가되는 전원전압의 레벨 변화에 무관한 기준전압과 상기 전원전압의 레벨 변화에 비례하는 비교전압을 비교하여 스위칭 로직을 출력하는 전원전압 모니터를 포함한다.
또한, 상기 전원전압 모니터는, 상기 전원전압을 인가받고, 상기 전원전압의 레벨 변화에 무관한 기준전압을 출력하는 기준전압 생성부; 상기 전원전압의 레벨 변화에 비례하는 상이한 레벨을 가진 다단의 비교전압을 출력하는 비교전압 생성부; 상기 기준전압과 상기 다단의 비교전압을 각각 비교하여 비교값을 출력하는 비교부; 및 상기 비교값을 디지털 값으로 변환하여 상기 스위칭 로직을 출력하는 A/D 변환부를 포함한다.
또한, 상기 링 오실레이터 내 개별 인버터는, 상기 전원전압과 접지전압 사이에 연결되고, 인가되는 입력신호에 따라 스위칭하는 CMOS 인버터; 상기 CMOS 인버터의 출력단에 고정 결합되는 고정 결합 캐패시터; 상기 스위칭 로직에 따라 스위칭되는 로드 캐패시터 스위치군; 및 상기 로드 캐패시터 스위치군 내 각각의 로드 캐패시터 스위치를 거쳐 상기 CMOS 인버터의 출력 단자와 상기 접지전압 사이를 연결하는 다수의 로드 캐패시터 - 상기 다수의 로드 캐패시터 내 각각의 로드 캐패시터는 상기 각각의 로드 캐패시터 스위치와 대응하여 연결됨 - 를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 장치는 반도체 기판 상에 설치되는 복수의 회로부; 및 상기 복수의 회로부의 각각에 설치되는 온도 센서 회로를 포함한다.
본 발명의 온도 센서 회로에 따르면, 반도체 장치에 공급되는 상이한 전원 전압으로 인해 발생하는 전파 지연에 따른 온도 검출시 오차를 보정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서 회로도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모니터링 회로도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 링 오실레이터의 구체 회로도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 각부 파형도, 및
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서 회로를 포함한 반도체 장치 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예(들)에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서 회로도(100)이다.
본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서 회로는, 링 오실레이터(110), 분주기(120), 카운터(130), 래치(140), 전원전압 모니터(150), 및 버퍼(160)를 포함한다.
링 오실레이터(110)는 외부에서 인가되는 인에이블 신호(EN)에 따라 기동하여 소정의 발진 주파수를 가진 구형파 신호(RO)를 출력한다.
분주기(120)는 링 오실레이터(110)의 소정의 발진 주파수를 가진 구형파 신호(RO)를 분주한 분주 펄스(PULSE)를 출력한다.
카운터(130)는 분주기(120)로부터 출력되는 분주 펄스(PULSE)를 외부로부터 인가되는 외부 클럭(CLK)에 따라 카운트하여 카운트 신호(CNT)를 출력한다.
래치(140)는 분주기(120)로부터 출력되는 분주 펄스(PULSE)에 따라 카운터(130)로부터 출력되는 카운트 신호(CNT)를 일시 저장하고, 분주 펄스(PULSE)를 버퍼링하는 버퍼(160)의 출력에 따라 일시 저장된 디지털 코드(D0 ~ Dk-1)를 출력한다.
전원전압 모니터(150)는 분주기(120)로부터 출력되는 분주 펄스(PULSE)에 따라 인에이블되고, 기준 전압(Vref)과 온도에 비례하여 생성되는 상이한 레벨을 가진 다수의 비교 전원 전압(Vcomp(1), Vcomp(2), ..., Vcomp(k))을 비교하여 스위칭 로직(Switching Logic)을 출력한다.
온도가 상승하면 링 오실레이터(110)로부터 출력되는 구형파 신호(RO)의 폭이 확장되고, 온도가 하강하면 링 오실레이터(110)로부터 출력되는 구형파 신호(RO)의 폭이 감소되며, 카운터(130)가 카운트한 구형파 신호(RO)의 개수를 이용하여 반도체 장치의 온도를 검출한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원전압 모니터의 구체 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전원전압 모니터(150)는 기준전압 생성부(210), 비교전압 생성부(220), 비교부(230), 및 A/D Converter(240)를 포함한다.
기준전압 생성부(210)는 전원전압(VDD)과 접지전압(Vss) 사이에 저항(R2), 제2 엔모스(N-type CMOS) 트랜지스터(M2), 그리고 저항(R1)이 직렬로 연결되어 있다. 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 게이트는 저항(R2)과 제2 엔모스 트랜지스터(M2) 드레인 사이의 노드 1 (N1)에 연결되어 있으며, 노드 1 (N1)로부터 게이트 전압(VG)을 발생한다. 그리고 전원전압(VDD)과 접지전압(Vss) 사이에 저항(RD), 제1 엔모스(N-type CMOS) 트랜지스터(M1), 저항(Rs)이 직렬로 연결되어 있다. 노드 1 (N1)로부터 발생하는 게이트 전압(VG)은 제1 엔모스(N-type CMOS) 트랜지스터 (M1)의 게이트에 인가되고, 저항 (RD)과 제1 엔모스(N-type CMOS) 트랜지스터 (M1)의 드레인 사이에서 기준전압(Vref)을 출력한다.
따라서, 전원전압(VDD)이 변동하면 기준전압(Vref) 레벨도 따라서 변하게 되고, 전원전압(VDD)이 일정수준 이상 증가하더라도 소정 레벨을 갖는 기준전압(Vref)을 발생시킨다.
비교전압 생성부(220)는 전원전압(VDD)과 접지전압(Vss) 사이에 직렬연결된 다수의 저항(Rcomp(1), Rcomp(2), ..., Rcomp(k+1))을 가지고, 다수의 저항(Rcomp(1), Rcomp(2), ..., Rcomp(k+1)) 사이의 노드들에서 상이한 레벨의 비교전압(Vcomp(1), Vcomp(2), ..., Vcomp(k))을 출력한다.
비교부(230)는 기준전압 생성부(210)로부터 출력되는 기준전압(Vref)과 상이한 레벨의 비교전압(Vcomp(1), Vcomp(2), ..., Vcomp(k))을 각각 비교하여 비교값을 출력하는 비교기(231, 232, ..., 23k)를 포함한다.
A/D Converter(240)는 분주 펄스(PULSE)에 따라 비교부(230)로부터 출력되는 아날로그 형태의 비교값을 디지털 형태의 써모미터 코드로 된 스위칭 로직(Switching Logic)으로 변환하여 출력한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 링 오실레이터(110) 내 개별 인버터의 구체 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 링 오실레이터 내 개별 인버터는 CMOS 인버터(310), 고정 캐패시터(320), 다수의 로드 캐패시터(330), 및 로드 캐패시터 스위치군(340)을 포함한다.
CMOS 인버터(310)는 전원전압(VDD)과 접지전압(Vss) 사이에 배치되고, 입력단자(IT)에 인가되는 입력신호(In)에 따라 스위칭 된다.
고정 캐패시터(320)는 CMOS 인버터(310)의 출력 단자(OT)와 접지전압(Vss) 사이에 배치된다.
다수의 로드 캐패시터(330) 내 개별 로드 캐패시터는 각각의 로드 캐패시터 스위치를 거쳐 CMOS 인버터(310)의 출력 단자와 접지전압(Vss) 사이를 연결한다.
로드 캐패시터 스위치군(340) 내 로드 캐패시터 스위치(SW1 ~ SW4) 각각은 전원전압 모니터(150)로부터 출력되는 스위칭 로직(Switching Logic)에 스위칭되어 다수의 로드 캐패시터(330)는 스위칭될 때마다 로드 캐패시턴스 값이 가변된다. 이에 따라 고정 캐패시터(320)의 고정 캐패시턴스 값과, 로드 캐패시터(330)의 가변 캐패시턴스 값이 가산되어 전체 캐패시턴스 값이 조정될 수 있다.
조정되는 전체 캐패시턴스 값에 따라 전원전압(VDD)과 접지전압(Vss) 사이에 배치되는 CMOS 인버터(310)로부터 출력되는 출력 신호(Out)의 폭이 조정된다. 여기서, CMOS 인버터(310)의 입력 단자라 함은 P-MOS의 게이트 단자와 N-MOS의 게이트 단자를 연결하는 노드를 의미하고, CMOS 인버터(310)의 출력 단자라 함은 전원전압(VDD)과 접지전압(Vss) 사이에 직렬로 배치된 P-MOS의 소스 단자와 N-MOS의 드레인 단자를 연결하는 노드를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 각부 파형도이다.
외부에서 인가되는 인에이블 신호(EN)에 따라 링 오실레이터(110)가 구형파 신호(RO)를 출력하면, 분주기(120)는 구형파 신호(RO)를 16 분주한 분주 펄스(PULSE)를 출력한다.
이때, 전원전압 모니터(150)가 온 되고, 카운터(130)가 리셋되면, 카운터(130)는 온도에 따라 달라지는 분주 펄스(PULSE)의 스타트 지점(start)로부터 종료 지점(end)까지의 시간을 클럭 신호(CLK)를 이용하여 카운트함으로써 온도를 검출하고, 카운터(130)의 출력을 일시 저장하는 래치(140)가 디지털 코드(Dk -1 ~ D0)의 온도를 출력한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서 회로를 구비하는 반도체 장치의 하나의 실시예를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 반도체 장치(500)는 반도체 기판(510) 상에 설치된 복수의 회로부(520, 530, 540)와 복수의 회로부(520, 530, 540)의 각각에 설치된 적어도 1개의 온도 센서 회로(100)로 구성된다.
복수의 회로부(520, 530, 540)는 예컨대, 캐시(520), 복수의 코어(530-1, 530-2, 530-3, 530-4), 컨트롤러(540)로 구성된다. 복수의 코어(530-1, 530-2, 530-3, 530-4)의 회로 기능은 각각 다른 것이라도 좋고 동일 기능을 가지는 코어가 동일 기판 상에 형성되어도 무방하다.
반도체 장치(500)는 대규모 집적 회로이므로 반도체 장치(500)를 구성하는 반도체 기판(510)의 온도는 그 위치에 따라 다르다. 그러므로 온도 센서 회로(100)는 각각의 회로부(520, 530, 540)에 설치될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 온도 센서 회로(100)는 각각의 회로부(520, 530, 540)에 4개씩 설치된다.
온도 센서 회로(100)로부터의 출력 신호에 기초하여 당해 온도 센서 회로(100)가 설치된 회로부(520, 530, 540)의 동작이 정지하게 한다. 또한 온도 센서 회로(100)의 출력 신호에 의해 회로부(520, 530, 540)에서 정지시키는 회로를 미리 정해도 좋다. 또한 출력 신호에 기초하여 기판 온도를 저하시키는데 효과적인 회로만을 정지하도록 해도 좋다.
또한 예를 들면 복수의 온도 센서 회로(100)의 출력 신호가 예를 들면 컨트롤러(540)의 기판 온도 제어부(도시하지 않음)에 입력되도록 해도 좋다. 이 경우, 기판 온도 제어부는 미리 정해진 순서로 주기적으로 각각의 온도 센서 회로(100)로부터의 출력 신호를 감시하고, 감시 결과에 기초하여 반도체 장치(500)의 동작을 제어한다. 예를 들면 어느 온도 센서 회로로부터의 출력 신호가 하이레벨일 경우 그 출력 신호를 출력한 온도 센서 회로(100)가 속하는 회로부의 동작이 정지되고 다른 회로부의 동작은 계속된다. 덧붙여 상술한 감시 결과에 기초하여 반도체 장치 500의 전체의 동작을 정지하도록 해도 좋고 출력 신호를 출력한 온도 센서 회로(100)가 설치된 회로부 및 이것에 인접하는 회로부의 동작을 맞추어 정지하도록 해도 좋다. 반대로 감시 결과에 기초하여 출력신호를 출력한 온도 센서 회로(100)가 설치된 회로부 주위 회로의 동작만을 정지하도록 해도 좋다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100: 온도 센서 회로
110: 링 오실레이터
120: 분주기
130: 카운터
140: 래치
150: 전원전압 모니터
160: 버퍼

Claims (6)

  1. 인에이블 신호에 따라 기동하여 소정의 발진 주파수를 가진 구형파 신호를 출력하는 링 오실레이터;
    상기 링 오실레이터의 발진 주파수를 소정의 주파수를 가진 펄스로 분주하는 분주기;
    상기 분주기로부터 출력되는 펄스를 외부로부터 인가되는 외부 클럭에 따라 카운트하는 카운터;
    상기 분주기로부터 출력되는 펄스에 따라 상기 카운터의 출력을 일시 저장하고, 일시 저장된 디지털 코드를 출력하는 래치; 및
    상기 분주기로부터 출력되는 펄스에 따라 스위칭 되고 인가되는 전원전압의 레벨 변화에 무관한 기준전압과 상기 전원전압의 레벨 변화에 비례하는 비교전압을 비교하여 스위칭 로직을 출력하는 전원전압 모니터
    를 포함하는 온도 센서 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전원전압 모니터는,
    상기 전원전압을 인가받고, 상기 전원전압의 레벨 변화에 무관한 기준전압을 출력하는 기준전압 생성부;
    상기 전원전압의 레벨 변화에 비례하는 상이한 레벨을 가진 다단의 비교전압을 출력하는 비교전압 생성부;
    상기 기준전압과 상기 다단의 비교전압을 각각 비교하여 비교값을 출력하는 비교부; 및
    상기 비교값을 디지털 값으로 변환하여 상기 스위칭 로직을 출력하는 A/D 변환부
    를 포함하는 온도 센서 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 링 오실레이터 내 개별 인버터는,
    상기 전원전압과 접지전압 사이에 연결되고, 인가되는 입력신호에 따라 스위칭하는 CMOS 인버터;
    상기 CMOS 인버터의 출력단에 고정 결합되는 고정 결합 캐패시터;
    상기 스위칭 로직에 따라 스위칭되는 로드 캐패시터 스위치군; 및
    상기 로드 캐패시터 스위치군 내 각각의 로드 캐패시터 스위치를 거쳐 상기 CMOS 인버터의 출력 단자와 상기 접지전압 사이를 연결하는 다수의 로드 캐패시터 - 상기 다수의 로드 캐패시터 내 각각의 로드 캐패시터는 상기 각각의 로드 캐패시터 스위치와 대응하여 연결됨 -
    를 포함하는 온도 센서 회로.
  4. 반도체 기판 상에 설치되는 복수의 회로부; 및
    상기 복수의 회로부의 각각에 설치되고, 제1항의 온도 센서 회로
    를 포함하는 반도체 장치.
  5. 반도체 기판 상에 설치되는 복수의 회로부; 및
    상기 복수의 회로부의 각각에 설치되고, 제2항의 온도 센서 회로
    를 포함하는 반도체 장치.
  6. 반도체 기판 상에 설치되는 복수의 회로부; 및
    상기 복수의 회로부의 각각에 설치되고, 제3항의 온도 센서 회로
    를 포함하는 반도체 장치.
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