KR20080090275A - Apparatus and method for measurement of temperature using oscillators - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 발진 회로를 이용한 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 온도에 민감한 발진 회로와 온도에 민감하지 않은 발진 회로에서 발생하는 신호들의 주파수의 차이를 이용하여 온도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature measuring apparatus and method using an oscillation circuit. Specifically, the present invention relates to an apparatus and method for measuring temperature by using a difference in frequency between signals generated in a temperature sensitive oscillator circuit and a temperature sensitive oscillator circuit.
종래의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정을 이용한 온도센서의 구성은 도 1과 같다. 도 1을 참조하면, 종래의 CMOS 온도 센서는 온도 감지부(Temperature Detector, 101), 참조부(Reference, 103) 및 아날로그/디지털 변환기(ADC; Analog-to-Digital Converter, 105)를 포함한다. 상기 온도 감지부(101)는 온도를 감지하는 역할을 하는 부분이다. 상기 온도 감지부(101)는 밴드갭 레퍼런스(Bandgap Reference) 회로 일부를 사용하여 출력 전압이 온도에 비례하여 나타나도록 하거나, 인버터와 같은 지연 라인(Delay Line)을 다수 사용하여 지연되는 양 이 온도에 비례하게 나타나도록 만든 회로가 사용되거나 또는 특수한 소자를 이용하여 온도에 비례하여 신호가 발생하도록 설계된다. 상기 참조부(103)는 온도가 변해도 일정한 기준을 제공하는 기능을 수행한다. 상기 참조부(103)는 대부분 밴드갭 레퍼런스(Bandgap Reference)를 사용하거나 온도에 덜 민감한 지연 라인(Delay Line)을 사용하여 구현된다. 상기 아날로그/디지털 변환기(105)는 상기 온도 감지부(101) 및 상기 참조부(103)로부터 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 기능을 수행한다. 상기 아날로그/디지털 변환기(105)는 시그마-델타(Sigma-delta) 타입이나 Successive-approximation 레지스터 타입 또는 이중 적분 방식의 아날로그/디지털 변환기를 사용한 것이 대부분이며, 그 외에 콤퍼레이터(Comparator)를 이용하거나 TDC(Time to Digital Converter)를 이용하여 구현한 것들이 몇몇 있다.The configuration of a temperature sensor using a conventional Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) process is shown in FIG. Referring to FIG. 1, a conventional CMOS temperature sensor includes a
그러나 상기에서 열거한 종래의 회로 기법들을 사용하여 제작된 온도 센서들은 아날로그적 특성으로 인해 노이즈에 민감하고 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 또한 상기 회로 기법들에 의하여 제작된 온도 센서들은 복잡한 구현 방식으로 인하여 회로의 크기가 아주 크며, DRAM(Dynamic RAM)이나 마이크로프로세서와 같이 다른 전자 회로들과 함께 내장되어 단일 칩 시스템(System on a Chip; SoC)으로 구현되기 어려운 단점이 있다.However, the temperature sensors fabricated using the conventional circuit techniques listed above have disadvantages of being sensitive to noise and consuming high power due to their analog characteristics. In addition, the temperature sensors fabricated by the above circuit techniques are very large in size due to complex implementation methods, and are integrated with other electronic circuits such as DRAM (Dynamic RAM) or microprocessors, thereby providing a single chip system. ; SoC) is difficult to implement.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 크기를 획기적으로 줄이며 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있는 CMOS 온도 센서 및 온도 측정 방법을 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a CMOS temperature sensor and a temperature measuring method that can significantly reduce the size and significantly reduce the power consumption.
본 발명의 다른 목적은 온도를 추출하는 동안 낭비되는 전력을 줄이고, 온도가 추출된 후에는 발진 회로의 동작을 차단시켜 불필요한 전력 소모를 막고 노이즈가 발생하는 것을 차단하도록 하여, 효율적으로 온도를 측정하는 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다. Another object of the present invention is to reduce the power wasted during the extraction of the temperature, and after the temperature is extracted to block the operation of the oscillation circuit to prevent unnecessary power consumption and to prevent the generation of noise, to efficiently measure the temperature It is an object of the present invention to provide an apparatus and method.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 다중 위상 신호를 발생시키는 발진 회로에서 발생되는 다중 위상 신호를 이용하여 높은 해상도를 가지는 온도 측정 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다. It is still another object of the present invention to provide a temperature measuring apparatus and method having a high resolution by using a multi-phase signal generated in an oscillator circuit generating a multi-phase signal.
상술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면 제1 발진 회로; 제2 발진 회로; 상기 제1 발진 회로에서 출력되는 제1 주파수 신호 및 상기 제2 발진 회로에서 출력되는 제2 주파수 신호를 선택적으로 통과시키는 먹스; 및 상기 제1 주파수 신호 및 상기 제2 주파수 신호의 차이를 디지털 코드로 변환하는 주파수/디지털 변환기를 포함하는 온도 센서를 제공할 수 있다.In order to achieve the above objects, in accordance with an aspect of the present invention; A second oscillation circuit; A mux for selectively passing a first frequency signal output from the first oscillator circuit and a second frequency signal output from the second oscillator circuit; And a frequency / digital converter for converting a difference between the first frequency signal and the second frequency signal into a digital code.
바람직한 실시예에서 상기 제1 발진 회로는 온도에 민감한 발진 회로이며, 상기 제2 발진 회로는 온도에 민감하지 않은 발진 회로인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제2 발진 회로는 상기 제1 발진 회로에 온도에 의한 변화를 보상시켜주는 회로를 추가하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제1 발진 회로 및 상기 제2 발진 회로는 게이티드 발진 회로인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제1 발진 회로는 다중 위상 주파수 신호를 발생시키는 발진 회로인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 다중 위상 주파수 신호를 이용하여 미세 해상도 코드를 발생시키는 미세 해상도 발생 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 주파수/디지털 변환기는 상기 제1 주파수 신호가 입력되는 경우 카운트 업 동작을 수행하고, 상기 제2 주파수 신호가 입력되면 카운트 다운 동작을 수행하는 업다운 카운터; 및 상기 업다운 카운터에서 카운트된 최종 값을 외부로 출력하는 카운트 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 업다운 카운터의 1 비트는 Up/Down 제어 신호가 입력되는 먹스, Reset 제어 신호가 입력되는 XOR, Run/Hold 제어 신호가 입력되는 AND 및 플립플롭을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 카운터 버퍼는 다수의 버퍼를 포함하며, 상기 다수의 버퍼 중 제일 첫 버퍼단의 전원 공급부에 전원 제어용 트랜지스터가 결합되는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제1 발진 회로 및 상기 제2 발진 회로는 Enable 신호에 의하여 동작하고, Disable 신호에 의하여 동작이 중지되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the first oscillator circuit is a temperature sensitive oscillator circuit, and the second oscillator circuit is an oscillator circuit which is not temperature sensitive. In addition, the second oscillator circuit is characterized in that the first oscillator circuit is configured by adding a circuit for compensating for changes due to temperature. The first oscillator circuit and the second oscillator circuit may be gated oscillator circuits. In addition, the first oscillator circuit is characterized in that the oscillator circuit for generating a multi-phase frequency signal. The apparatus may further include a fine resolution generating circuit for generating a fine resolution code using the multi-phase frequency signal. The frequency / digital converter may further include a countdown operation when the first frequency signal is input and a countdown operation when the second frequency signal is input; And a count buffer outputting the final value counted by the up-down counter to the outside. In addition, one bit of the up-down counter may include a mux to which an up / down control signal is input, an xor to which a reset control signal is input, and an AND and a flip-flop to which a run / hold control signal is input. The counter buffer may include a plurality of buffers, and a power control transistor is coupled to a power supply of a first buffer stage among the plurality of buffers. In addition, the first oscillator circuit and the second oscillator circuit is characterized in that the operation by the enable signal, the operation is stopped by the disable signal.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 발진 회로 및 제2 발진 회로를 포함하는 온도 센서에서 온도를 측정하는 방법에 있어서, 상기 제1 발진 회로 및 상기 제2 발진 회로를 동작시키는 단계; 상기 제1 발진 회로에서 출력되는 제1 주파수 신호 및 상기 제2 발진 회로에서 출력되는 제2 주파수 신호를 선택적으로 통과시키는 단계; 및 상기 제1 주파수 신호 및 상기 제2 주파수 신호의 차이를 디지털 코드로 변환하는 단계를 포함하되, 상기 디지털 코드는 측정하고자 하는 온도에 상응하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법을 제공할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring temperature in a temperature sensor including a first oscillation circuit and a second oscillation circuit, the method comprising: operating the first oscillation circuit and the second oscillation circuit; Selectively passing a first frequency signal output from the first oscillator circuit and a second frequency signal output from the second oscillator circuit; And converting a difference between the first frequency signal and the second frequency signal into a digital code, wherein the digital code corresponds to a temperature to be measured.
바람직한 실시예에서 상기 제1 발진 회로는 온도에 민감한 발진 회로이며, 상기 제2 발진 회로는 온도에 민감하지 않은 발진 회로인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 방법은 Disable 신호에 의하여 상기 제1 발진 회로 및 상기 제2 발진 회로의 동작을 중지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 방법은 상기 제1 발진 회로 및 상기 제2 발진 회로가 게이티드 발진 회로인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 방법은 상기 제1 발진 회로가 다중 위상 주파수 신호를 발생시키는 발진 회로인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 방법은 상기 다중 위상 주파수 신호를 이용하여 미세 해상도 코드를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the first oscillator circuit is a temperature sensitive oscillator circuit, and the second oscillator circuit is an oscillator circuit which is not temperature sensitive. The method may further include stopping the operation of the first oscillator circuit and the second oscillator circuit by a disable signal. The method is further characterized in that the first oscillating circuit and the second oscillating circuit are gated oscillating circuits. The method is further characterized in that the first oscillator circuit is an oscillator circuit for generating a multi-phase frequency signal. The method may further include generating a fine resolution code using the multi-phase frequency signal.
본 발명에 따른 CMOS 온도 센서는 온도에 민감한 발진 회로, 온도에 민감하지 않은 발진 회로, 각 발진 회로로부터 나오는 주파수 신호를 선택적으로 통과시키는 먹스 및 입력되는 주파수 신호를 디지털 코드로 변환하는 주파수/디지털 변환기(FDC)로 간단히 구성됨으로써 기존 온도 센서에 비하여 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 이점이 있다.The CMOS temperature sensor according to the present invention is a temperature-sensitive oscillator circuit, a temperature-sensitive oscillator circuit, a frequency / digital converter for converting a mux and a frequency signal inputted through a frequency signal from each oscillator circuit into digital codes. The simple configuration of (FDC) has the advantage that the size can be significantly reduced compared to the existing temperature sensor.
또한 본 발명에 의하면 온도 감지의 해상도에 따라 주파수/디지털 변환기(FDC)의 업다운 카운터 비트를 조절하면 되므로, 원하는 제품의 스펙에 맞도록 해상도를 쉽게 조절할 수 있는 이점이 있다.In addition, according to the present invention, since the up-down counter bit of the frequency-to-digital converter (FDC) is adjusted according to the resolution of the temperature sensing, the resolution can be easily adjusted to meet the specifications of the desired product.
또한 본 발명에 의하면 온도에 민감한 발진 회로가 다중 위상 주파수 신호를 발생하는 경우, 상기 다중 위상 신호를 이용한 미세 해상도 발생 회로는 전력소모의 증가 없이 해상도를 획기적으로 증가시킬 수 있는 이점이 있다. In addition, according to the present invention, when the temperature-sensitive oscillation circuit generates a multi-phase frequency signal, the fine resolution generation circuit using the multi-phase signal has an advantage of significantly increasing the resolution without increasing power consumption.
또한 본 발명에 의하면 주파수/디지털 변환기(FDC)의 카운터 버퍼 동작에 의하여 불필요한 중간 신호들이 밖으로 전달되는 것을 막고 최종 온도를 나타내는 디지털 코드만이 밖으로 전달되므로 불필요한 전력 소비를 줄일 수 있는 이점이 있다.In addition, according to the present invention, the counter buffer operation of the frequency-to-digital converter (FDC) prevents unnecessary intermediate signals from being passed out and only digital codes indicating the final temperature are passed out, thereby reducing unnecessary power consumption.
또한 본 발명에 의하면 온도 센서의 전체 회로에 절전 동작 모드를 적용하여 필요할 때에만 온도 센서를 동작시키고 필요 없는 경우에는 온도 센서를 동작시키지 아니하여 전체 동작 전력 소모를 줄일 수 있는 이점이 있다.In addition, according to the present invention, by applying the power saving operation mode to the entire circuit of the temperature sensor there is an advantage that can reduce the overall operating power consumption by operating the temperature sensor only when necessary and not operating the temperature sensor when not necessary.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발진 회로를 이용한 온도 센서의 구성도이다.2 is a block diagram of a temperature sensor using an oscillation circuit according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 온도 센서는 두 개의 발진 회로(201, 203), 먹스(MUX, 205), 및 주파수/디지털 변환기(FDC; Frequence-to-Digital Converter, 207)를 포함한다. 상기 온도 센서는 바람직하게는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 반도체 공정을 이용해 제작될 수 있다.Referring to FIG. 2, the temperature sensor according to the present invention includes two
상기 두 개의 발진 회로중 하나는 온도에 민감한 발진 회로(201)이며, 다른 하나는 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)이다. 상기 온도에 민감한 발진 회로(201)는 전압 제어 발진 회로(Voltage Controlled Oscillator) 또는 고리형 발진 회로(Ring Oscillator)로 구성될 수 있다. 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)는 온도에 민감한 발진 회로(201)를 구성하는 회로에 온도에 의한 변화를 보상시켜주는 회로를 추가로 장착하여 구성된다. 이때 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)에서 온도 변화를 보상시켜주는 회로를 제외한 나머지 부분은 상기 온도 변화에 민감한 발진 회로(201)와 동일하게 구성되는 것이 바람직하다. 그래야만 제작 공정에 따른 변화(Process Variation)나 전압 변화(Voltage Variation)에 의한 에러를 제거한 순수 온도(Temperature Variation)에 대한 변수만을 얻을 수 있기 때문이다. One of the two oscillator circuits is a temperature
상기 두 개의 발진 회로(201, 203)의 온도에 따른 출력 주파수는 도 4와 같다. 도 4의 그래프를 살펴보면 가로축은 온도를 나타내고, 세로축은 주파수를 나타낸다. 상기 그래프에서 온도에 민감한 발진 회로(201)의 출력 주파수(301)는 온도가 증가할수록 감소하며, 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)의 출력 주파수(303)는 온도 변화에 무관함을 알 수 있다. 상기 두 개의 발진 회로(201, 203)의 출력 주파수의 차를 구하면 도 5와 같이 나타난다. 본 발명에 따른 온도 센서에서 는 이러한 발진 회로들(201, 203)에 대한 주파수의 온도적 특성을 이용하여 온도를 검출하는 것이다.The output frequencies of the two
상기 온도에 민감한 발진 회로(201)와 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)는 모두 Enable/Disable 신호를 통해 동작이 결정된다. Enable 신호가 입력되면 상기 발진 회로들(201, 203)은 동작을 하여 온도를 검출하게 되며, 온도 검출이 완료되어 더 이상 동작이 필요 없는 경우에는 Disable 신호가 상기 발진 회로들(201, 203)에 입력되어 동작이 멈추게 된다. Both the temperature
상기 온도에 민감한 발진 회로(201)와 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)가 순차적으로 동작한다는 점을 이용하여 상기 두 개의 발진 회로들(201,203)이 도 3과 같이 게이티드 발진기 형태로 구성되는 경우에는, 온도 검출 단계에서도 동작이 필요 없는 때에는 상기 두 개의 발진 회로들의 동작이 차단됨으로써 불필요한 전력 소모가 차단될 수 있다. 이러한 절전 동작 모드를 온도 센서에 구현함으로써 필요시에만 상기 온도 센서를 동작시키고, 그렇지 않을 때에는 상기 온도 센서의 회로를 꺼놓아 전체 소모 전력을 크게 줄일 수 있고, 또한 상기 두 개의 발진 회로(201, 203)가 불필요하게 계속 동작하면서 발생되는 노이즈를 차단할 수 있다.The two
상기 먹스(205)는 상기 두 개의 발진 회로(201, 203)에서 출력되는 주파수 신호를 입력받아 선택적으로 상기 주파수/디지털 변환기(207)로 출력하는 기능을 수행한다.The
상기 주파수/디지털 변환기(207)는 상기 먹스(205)로부터 출력되는 주파수 신호를 디지털 코드로 변환하는 기능을 수행한다. 즉 상기 주파수/디지털 변환기(207)는 상기 두 개의 발진 회로(201, 203)의 주파수 신호들을 상기 먹스(205)를 통해 선택적으로 입력받아 두 주파수 신호의 차이를 계수화하는 역할을 수행한다. 이때 상기 두 신호의 주파수 차이가 바로 측정하고자 하는 온도에 해당된다.The frequency /
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 발진 회로(201)가 다중 위상 주파수 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 발진기인 경우, 상기 다중 위상 주파수 신호를 이용한 미세 해상도 발생 회로(209)를 더 포함하는 온도 센서의 구성도이다. 도 6의 업/다운 카운터(601) 및 버퍼(603)는 상기 주파수/디지탈 변환기(207)에 포함되는 것으로 자세한 설명은 도 10을 참조하여 후술될 것이다.6 is a fine
상기 미세 해상도 발생 회로(209)는 상기 온도에 민감한 발진 회로(201)가 발생시키는 다중 위상 주파수 신호를 이용하는 회로로서, 외부 컨트롤러(211)의 신호에 따라 온도에 민감한 발진 회로가 동작을 끝내는 시점의 신호 위치를 파악하여 미세 해상도를 디지털 코드로 출력한다. 상기 외부 컨트롤러(211)는 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)에서 나온 신호의 상승 클록을 카운팅하는 시간과 상기 온도에 민감한 발진 회로(201)에서 나온 신호의 상승 클록을 카운팅하는 시간을 동일하게 배분하는 역할을 한다. 상기 미세 해상도 발생 회로(209)에 의해 전력 소모의 증가 없이 해상도가 획기적으로 증가 될 수 있다.The fine
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 온도에 민감한 제1 발진 회로(201)가 다중 위상 주파수 신호를 발생시키는 경우에 있어서, 상기 미세 해상도 발생 회로(209)가 상기 다중 위상 주파수 신호를 이용하여 미세 코드를 발생시 키는 예시도이다.FIG. 7 illustrates that when the temperature sensitive
도 7은 예로서 상기 온도에 민감한 발진회로(201)가 3개의 다른 위상을 가지는 다중 위상 신호를 발생시키는 경우가 사용되었으며, 상기 3개의 다른 위상을 갖는 다중 위상 신호는 온도에 민감한 발진 회로가 단일 위상 신호를 발생시키는 경우의 한 주기를 8등분 하는 역할을 한다. 즉, 1개의 위상 신호가 사용되는 경우에는 상승 신호 사이의 정보를 이용할 수 없지만, 상기 3개의 다중 위상 신호가 사용되는 경우에는, 상기 외부 컨트롤러(211)에서 내보내는 업/다운 방향 결정 신호(701)가 상기 온도에 민감한 발진 회로(201)에서 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)로 방향을 바꾸는 시점의 위치를 포착하여, 상기 미세 코드 발생 회로(209)가 그 지점에서의 미세코드를 발생함으로써 상승 신호 사이의 정보를 이용할 수 있도록 하여 더욱 높아진 해상도가 보장될 수 있다.In FIG. 7, for example, the temperature
도 7의 상기 외부 컨트롤러(211)가 업/다운 카운터의 방향을 변화시키는 시점(703)의 온도에 민감한 발진 회로의 미세코드는 [1 1 0]으로 나타내어 짐을 볼 수 있다. 이와 같이 상기 다중 위상 신호를 이용한 미세 코드 발생회로(209)에 의해 1개의 위상 신호를 사용하는 경우 나타낼 수 없는 부분을 좀 더 세밀히 나누어 나타낼 수 있도록 함으로써 해상도가 증가 되는 것을 알 수 있다.It can be seen that the microcode of the temperature sensitive oscillation circuit at the
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세 코드 발생회로를 포함한 경우와 포함하지 않은 경우에 있어서, 해상도의 차이를 나타내어주는 그래프이다.8 is a graph showing a difference in resolution in the case of including and not including the fine code generation circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8(a)는 미세 코드 발생 회로를 포함하지 않는 경우의 해상도를 나타내고, 도 8(b)는 미세 코드 발생 회로를 포함한 경우의 해상도를 나타낸다. Fig. 8A shows the resolution when no fine code generation circuit is included, and Fig. 8B shows the resolution when fine code generation circuit is included.
도 8(a)를 참조하면 상기 온도에 민감한 발진 회로(201)에서 나온 신호의 상승 클록을 카운팅한 디지털 출력(801a)과 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로(203)에서 나온 신호의 상승 클록을 카운팅한 디지털 출력(803a)의 차이가 측정하고자 하는 온도(805a)가 됨을 알 수 있다. 따라서, 미세 코드 발생 회로를 포함하지 않는 경우에 있어서 해상도는 출력 가능한 온도들의 차이(807a)가 된다.Referring to FIG. 8 (a), the
상기와 같은 방식으로 도 8(b)를 참조하면 미세 코드 발생 회로를 포함하는 경우의 해상도는 출력 가능한 온도들의 차이(807b)가 된다.Referring to FIG. 8B in the same manner as above, the resolution in the case of including the fine code generation circuit becomes the
따라서 상기 미세 코드 발생 회로(209)를 포함하는 경우에는 상기 미세코드 발생회로(209)를 포함하지 않는 경우보다 상기 온도에 민감한 제1 발진 회로(201)와 상기 온도에 민감하지 않은 제2 발진 회로(203)에서 나온 신호들의 디지털 출력의 차를 더 미세하게 나타낼 수 있게 됨을 알 수 있다. 이에 따라 온도를 표현하는 해상도가 증가 될 수 있다.Therefore, when the micro
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 온도에 민감하지 않은 발진 회로의 회로도이다.9 is a circuit diagram of a temperature insensitive oscillating circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
도 9를 참조하여 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로에서 온도에 따른 변화를 보상시켜주는 과정을 설명하기로 한다.A process of compensating for the change in temperature in the oscillation circuit which is not sensitive to temperature will be described with reference to FIG. 9.
상기 회로도에서 P3에 흐르는 전류는 하기 <수학식 1>과 같다.In the circuit diagram, the current flowing through P3 is expressed by
ID , P3 : PMOS 트랜지스터(P3)의 드레인(drain)에 흐르는 전류I D , P3 : Current flowing in the drain of the PMOS transistor P3
μ : 캐리어 이동성(carrier mobility)μ: carrier mobility
COX : 실리콘 절연층을 이루는 Oxide의 커패시턴스C OX : Oxide capacitance forming a silicon insulation layer
W : MOS의 WidthW: Width of MOS
L : MOS의 Gate lengthL: Gate length of MOS
VGS , P3 : PMOS 트랜지스터(P3)의 Gate source 전압 V GS , P3 : Gate source voltage of PMOS transistor P3
VT : MOS 트랜지스터의 Threshold voltageV T : Threshold voltage of MOS transistor
λ: channel length modulation에 의해 drain 전압이 current에 영향을 미치는 정도λ: The degree to which the drain voltage affects current by channel length modulation
상기 <수학식 1>에서 MOS는 VGS에 의해 전류 양이 조절되며, 상기 VGS가 상기 VT 이상이어야 상기 MOS 트랜지스터가 동작한다. 또한 <수학식 1>에서 λ와 곱해진 상기 VGS는 사실 VDS지만 drain과 gate가 연결되어 있기 때문에 상기 <수학식1>과 같이 표현될 수 있다.The <
한편, 상기 <수학식 1>의 온도에 따른 전류는 하기 <수학식 2>와 같이 표현될 수 있다.Meanwhile, the current according to the temperature of
μ0 : 일정한 온도에서의 캐리어 이동성(carrier mobility) 상수μ 0 : Carrier mobility constant at constant temperature
T : 절대온도 값T: Absolute temperature value
T0 : 기준 절대온도 값 상수T 0 : Constant absolute temperature value
k, m : 물질에 대한 소자 정보 상수k, m: device information constant for the material
α: 온도 변화에 따른 전류 변화량을 계산해주는 상수α: Constant for calculating the amount of current change with temperature
상기 <수학식 2>를 온도에 대하여 미분하고 하기 <수학식 3>을 만족하는 조건을 찾으면 하기 <수학식 4>와 같다.If Equation 2 is differentiated with respect to temperature and the condition satisfying Equation 3 is found,
상기 <수학식 4>를 상기 <수학식 2>에 대입하여 정리하면 하기 <수학식 5>와 같다.Substituting Equation (4) into Equation (2) is the same as Equation (5).
상기 <수학식 5>를 살펴보면 트랜지스터 P3에 흐르는 전류가 온도 T에 의존하지 않고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 온도에 민감하지 않은 전류 ID , P3를 P1과 P2로 이루어진 전류 미러(Current Mirror)와 N1과 N2로 이루어진 전류 미러를 통해 점선 부분의 발진 회로로 공급하면 상기 온도에 민감하지 않은 발진 회로는 온도에 의존하지 않은 특성을 보이게 된다.Looking at
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주파수/디지털 변환기(FDC; Frequence-to-Digital Converter)의 구성도이다.10 is a block diagram of a frequency-to-digital converter (FDC) according to a preferred embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 주파수/디지털 변환기는 업다운 카운터(Up-down Counter, 601) 및 카운터 버퍼(Counter Buffer, 603)를 포함한다. 상기 업다운 컨버터(601)는 카운터를 초기화 시키는 Reset 신호단, 카운터가 카운트 업(Count up)할지 카운트 다운(Count down)할 지를 결정하는 Up/Down 신호단, 카운터가 카운트를 계속 할 지 아니면 현재 값을 유지하고 있을 지를 결정하는 Run/Hold 신호단과 연결된다. 상기 Run/Hold 신호단은 상기 카운트 버퍼(603)에 연결되어 상기 카운트 버퍼(603)가 내부 신호를 외부 신호로 출력할 지를 제어한다.Referring to FIG. 10, the frequency / digital converter according to the present invention includes an up-
상기 업다운 카운터(601)로 Run 신호가 입력되면, 상기 업다운 카운터는 먹스에서 출력되는 신호(MUX_out)를 수신한다. 상기 먹스의 출력 신호는 두 개의 발 진 회로로부터 발생되는 주파수의 신호가 상기 먹스를 통해 선택적으로 통과된 신호이다. 우선 상기 먹스의 출력 신호가 온도에 민감한 발진 회로에서 나온 주파수 신호인 경우 업다운 카운터(601)는 Up 신호 제어에 의하여 카운트 업 동작을 수행한다. 한편 상기 먹스의 출력 신호가 온도에 민감하지 않은 발진 회로에서 나온 주파수 신호인 경우, 상기 업다운 카운터(601)는 Down 신호 제어에 의하여 상기 온도에 민감한 발진 회로에서 나온 주파수 신호에 대해 카운트 업 동작을 수행한 동일한 시간에 대하여 카운트 다운 동작을 수행하여 상기 두 주파수 간의 차이를 계수화 한다. 상기 업다운 카운터(601)에서 두 주파수 차의 디지털 코드화 과정이 완료되면 Hold 신호가 입력되어 상기 업다운 카운터(601) 및 모든 발진 회로의 동작은 정지되고 현재 값을 유지하게 된다. 한편 상기 카운터 버퍼(603)는 Hold 신호가 입력되는 경우 상기 업다운 카운터(601)에서 유지하고 있는 값을 전달받아 이 값을 외부로 출력한다. When the run signal is input to the up-
상기 카운터 버퍼(603)와 상기 업다운 카운터(601)는 동일한 Run/Hold 신호에 의해 제어되지만 서로 반대로 동작을 한다. 즉 Run 신호가 입력되는 경우 상기 업다운 카운터(601)는 카운트 업이나 카운트 다운 동작을 수행하지만, 상기 카운터 버퍼(603)는 동작을 멈추고 내부의 변화를 외부로 출력하지 않는다. 반대로 Hold 신호가 입력되는 경우 상기 업다운 카운터(601)는 동작을 멈추고 현재의 값을 유지하고 있으며, 상기 카운터 버퍼(603)는 내부의 값을 외부로 출력한다. 이러한 동작을 통하여 필요 없이 소모되는 전력을 크게 낮출 수 있게 된다. The
한편, 상기 Reset 신호는 온도를 측정할 때 처음 상기 업다운 카운터(601)를 초기화 하는 용도로 사용된다.On the other hand, the reset signal is used for initializing the up-
도 11은 본 발명에 바람직한 일 실시예에 따른 주파수/디지털 변환기의 세부 블록도를 나타낸 도면이다. 도 11에서의 주파수/디지털 변환기는 10비트의 업다운 카운터가 사용된 예를 든 것이다.11 is a detailed block diagram of a frequency / digital converter according to an embodiment of the present invention. The frequency / digital converter in FIG. 11 is an example in which a 10-bit updown counter is used.
도 11을 참조하면, 주파수/디지털 변환기의 업다운 컨버터 1비트는 XOR, 플립플롭(Flip Flop), 먹스(MUX) 및 AND를 한 개씩 포함하고 있다. 여기서 상기 먹스에는 Up/Down 신호가 입력되고, 상기 XOR에는 Reset 신호가 입력되고, AND에는 Run/Hold 신호가 제어 신호로서 입력된다.Referring to FIG. 11, one bit of the up-down converter of the frequency / digital converter includes XOR, flip-flop, mux, and AND. Here, the Up / Down signal is input to the mux, a Reset signal is input to the XOR, and a Run / Hold signal is input to the AND as a control signal.
한편 온도 감지의 해상도를 높이기 위해서는 상기 주파수/디지털 변환기의 업다운 컨버터의 비트 수를 높이면 된다. 따라서 원하는 온도 센서의 스펙에 맞도록 해상도 조정이 가능하다.In order to increase the resolution of the temperature sensing, the number of bits of the up-down converter of the frequency / digital converter may be increased. Therefore, the resolution can be adjusted to meet the specifications of the desired temperature sensor.
도 12는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 카운터 버퍼의 구성도이다.12 is a block diagram of a counter buffer according to an embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 카운터 버퍼는 최종단의 부하(Load)를 구동하는데 필요한 수만큼의 버퍼 단 또는 인버터 단이 사용되고, 제일 처음의 버퍼단의 전원 공급부에 제어용 트랜지스터를 달아 제일 앞의 버퍼단의 전원 공급을 Run/Hold 신호로 제어하도록 구성되어 있다. Run 신호가 입력되면 제어용 트랜지스터가 꺼져 버퍼단의 동작은 멈추게 되고, Hold 신호가 입력되면 제어용 트랜지스터가 동작하여 버퍼단이 신호를 외부로 내보낼 수 있다. 따라서 버퍼단 앞부분의 신 호가 어떻게 바뀌고 있든 간에 상기 카운터 버퍼는 최종 출력만을 외부로 출력함으로써 전력 소비가 크게 줄어든다.Referring to FIG. 12, the counter buffer according to the present invention uses as many buffer stages or inverter stages as necessary to drive the load of the final stage, and attaches a control transistor to the power supply of the first buffer stage. It is configured to control power supply of buffer stage by Run / Hold signal. When the run signal is input, the control transistor is turned off to stop the operation of the buffer stage. When the hold signal is input, the control transistor is operated so that the buffer terminal can send out the signal to the outside. Therefore, no matter how the signal in front of the buffer stage is changed, the counter buffer outputs only the final output to the outside, thereby greatly reducing power consumption.
도 13은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발진 회로를 이용한 온도 센서에서 온도를 측정하는 절차를 나타낸 순서도이다.13 is a flowchart illustrating a procedure of measuring a temperature in a temperature sensor using an oscillation circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 먼저 본 발명에 따른 온도 센서는 온도 측정을 위하여 Enable 신호가 입력되면 온도에 민감한 발진 회로 및 온도에 민감하지 않은 발진 회로를 구동한다(단계 901). 이때 상기 두 개의 발진 회로는 온도에 상응하여 각각의 주파수 신호를 발생한다. 이후 상기 온도 센서의 먹스는 상기 두 개의 발진 회로에서 출력되는 상기 두 개의 주파수 신호를 선택적으로 통과하여 상기 온도 센서 내부의 주파수/디지털 변환기로 출력한다(단계 903). 이후 상기 주파수/디지털 변환기는 상기 먹스로부터 입력되는 주파수 신호를 디지털 코드로 변환한다(단계 905). 이때 변환된 상기 디지털 코드는 상기 두 개의 주파수 신호의 차이에 상응하는 값으로서 측정하고자 하는 온도에 해당된다.Referring to FIG. 13, first, a temperature sensor according to the present invention drives a temperature sensitive oscillator circuit and a temperature sensitive oscillator circuit when an enable signal is input for temperature measurement (step 901). At this time, the two oscillator circuits generate respective frequency signals in accordance with the temperature. Thereafter, the mux of the temperature sensor selectively passes through the two frequency signals output from the two oscillation circuits and outputs them to the frequency / digital converter inside the temperature sensor (step 903). The frequency / digital converter then converts the frequency signal input from the mux into a digital code (step 905). In this case, the converted digital code corresponds to a temperature to be measured as a value corresponding to a difference between the two frequency signals.
온도 측정이 완료된 경우 상기 온도 센서는 Disable 신호에 의하여 상기 두 개의 발진 회로 및 업다운 카운터의 동작을 멈추게 하여 절전 동작 모드로 진입한다(단계 907).When the temperature measurement is completed, the temperature sensor enters a power saving operation mode by stopping the operation of the two oscillating circuits and the up-down counter by a disable signal (step 907).
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다. The present invention is not limited to the above embodiments, and many variations are possible by those skilled in the art within the spirit of the present invention.
도 1은 종래의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정을 이용한 온도 센서의 구성도.1 is a block diagram of a temperature sensor using a conventional Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) process.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발진 회로를 이용한 온도 센서의 구성도.2 is a block diagram of a temperature sensor using an oscillation circuit according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 게이티드 발진 회로의 구성도.3 is a block diagram of a gated oscillation circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 온도에 민감한 발진 회로와 온도에 민감하지 않은 발진 회로에서 생성되는 주파수 신호의 온도에 따른 특성 그래프.4 is a characteristic graph according to a temperature of a frequency signal generated in a temperature-sensitive oscillation circuit and a temperature-sensitive oscillation circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 온도에 민감한 발진 회로와 온도에 민감하지 않은 발진 회로에서 생성되는 주파수 신호 특성의 차를 나타낸 그래프.5 is a graph showing the difference between frequency signal characteristics generated in a temperature sensitive oscillator circuit and a temperature sensitive oscillator circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제1 발진기가 다중 위상 주파수 신호를 발생시키는 발진기인 경우에 있어서, 상기 다중 위상 주파수 신호를 이용한 미세 해상도 발생 회로를 더 포함하는 온도 센서의 구성도.6 is a configuration diagram of a temperature sensor further comprising a fine resolution generating circuit using the multi-phase frequency signal when the first oscillator is an oscillator for generating a multi-phase frequency signal according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세 해상도 발생 회로가 다중 위상 주파수 신호를 이용하여 미세 코드를 발생시키는 과정을 나타내는 예시도.7 is an exemplary diagram illustrating a process of generating a fine code using a multi-phase frequency signal by a fine resolution generating circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세 코드 발생 회로를 포함하는 경우에 있어서, 해상도 증가를 나타내는 비교 그래프.8 is a comparison graph illustrating an increase in resolution in the case of including a fine code generation circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 온도에 민감하지 않은 발진 회 로의 회로도.9 is a circuit diagram of a temperature insensitive oscillation circuit according to one preferred embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주파수/디지털 변환기(FDC; Frequence-to-Digital Converter)의 구성도.10 is a block diagram of a frequency-to-digital converter (FDC) according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명에 바람직한 일 실시예에 따른 주파수/디지털 변환기의 세부 블록도.11 is a detailed block diagram of a frequency / digital converter according to an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 카운터 버퍼의 구성도.12 is a block diagram of a counter buffer according to an embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발진 회로를 이용한 온도 센서에서 온도를 측정하는 절차를 나타낸 순서도.13 is a flowchart illustrating a procedure for measuring temperature in a temperature sensor using an oscillation circuit according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
201 : 온도에 민감한 발진 회로201: temperature sensitive oscillation circuit
203 : 온도에 민감하지 않은 발진 회로203: temperature sensitive oscillation circuit
205 : 먹스(MUX)205: MUX
207 : 주파수/디지털 변환기(FDC; Frequence-to-Digital Converter)207: Frequency-to-Digital Converter (FDC)
209 : 다중 위상 주파수 신호를 이용한 미세 해상도 발생 회로209: fine resolution generating circuit using multi-phase frequency signal
211 : 외부 컨트롤러211: external controller
601 : 업다운 카운터601: up-down counter
603 : 카운터 버퍼603: counter buffer
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