KR20120045413A - 온도 감지 회로 및 감지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 감지 회로 및 감지 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 온도 감지 회로는, 온도가 높아질수록 주파수가 낮아지는 제 1 주기신호를 생성하는 제 1 발진부, 온도가 높아질수록 주파수가 높아지는 제 2 주기신호를 생성하는 제 2 발진부 및 상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이를 이용하여 온도 정보를 생성하는 온도 정보 생성부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 높은 정확성과 해상도를 가짐과 동시에, 회로의 크기를 줄이고 전력 소모를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

온도 감지 회로 및 감지 방법{CIRCUIT AND METHOD FOR DETECTING TEMPERATURE}
본 발명은 온도에 의존적인 발진 회로를 이용한 CMOS 기반의 온도 감지 회로 및 감지 방법에 관한 것이다.
최근 마이크로프로세서(Microprocessor)의 온도 관리(Thermal Management), DRAM의 리프레시율(Refresh-rate) 조절, 디스플레이 드라이버(Display Driver)의 감마 보정(Gamma Compensation) 등에 있어서 온도 측정 및 관리에 대한 중요성이 증가하면서, 효율적으로 온도를 측정할 수 있는 장치에 대한 요구 또한 증가하고 있다. 이렇게 다양한 응용 분야로의 적용을 위해서는 작은 크기와 낮은 전력 소모량을 가지면서 동시에 충분한 정확성(Accuracy)와 높은 해상도(Resolution) 및 측정 대역폭(Bandwidth)를 가지는 온도 감지 회로가 요구된다.
도 1은 종래 기술에 의한 온도 감지 회로의 구성도이고, 도 2는 도 1의 온도 감지 회로에서 출력 신호의 비선형성(Non-linearity)을 나타내기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 온도 감지 회로는, 온도 감지부(101), 참조부(103) 및 온도 정보 생성부(105)를 포함한다.
온도 감지부(101)는, 밴드갭 레퍼런스(Bandgap Reference) 회로의 일부를 사용하여 출력 전압이 온도에 비례하도록 하거나, 인버터(Inverter)와 같이 온도에 의존적인 지연 라인(Delay Line)을 다수 사용하여 지연되는 양이 온도에 비례하여 나타나도록 구현될 수 있다.
참조부(103)는 온도 변화에 관계 없이 일정한 기준을 제공하는 기능을 수행한다. 이를 위해 밴드갭 레퍼런스(Bandgap Reference)를 사용하거나, 온도에 의존적이지 않은 지연 라인을 사용하여 구현될 수 있다.
온도 정보 생성부(105)는 온도 감지부(101)의 출력 신호(TEMP) 및 참조부(REF)의 출력 신호(REF)를 이용하여 온도 정보를 생성한다. 일반적으로 두 출력 신호(TEMP, REF)는 아날로그 신호이고, 온도 정보 생성부(105)는 입력받은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그/디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter) 형태가 된다.
그런데, 전술한 바와 같은 종래의 기법들을 사용하여 구현된 온도 감지 회로의 경우, 구현 방식이 복잡하여 회로의 크기가 커지게 되고, 많은 전력을 소모하며, 아날로그적 특성으로 인해 잡음(Noise)에도 민감하다는 문제점이 있다.
특히, 온도에 의존적인 지연 라인을 이용한 회로의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 온도 감지부(101)의 출력 신호 주파수(F_TEMP)는 비선형적으로 나타나게 되고, 참조부(103)에서 온도에 의존적이지 않은 지연 라인을 이용한 출력 신호 주파수(F_REF)로 이를 보상해 준다고 해도 선형적인 결과를 얻을 수는 없게 된다. 이렇게 비선형성의 보정 없이 온도 정보를 생성할 경우, 온도가 높아질수록 측정 결과의 정확성이 떨어지고 해상도에도 제한을 받게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 온도 감지 회로에서는 공정 변화에 따른 영향으로 인해, 즉, 공정 과정에서 필연적으로 발생하는 오차에 의해 그 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 높은 정확성과 해상도를 가짐과 동시에, 회로의 크기를 줄이고 전력 소모를 감소시킬 수 있는 온도 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 온도 감지 회로는, 온도가 높아질수록 주파수가 낮아지는 제 1 주기신호를 생성하는 제 1 발진부, 온도가 높아질수록 주파수가 높아지는 제 2 주기신호를 생성하는 제 2 발진부 및 상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이를 이용하여 온도 정보를 생성하는 온도 정보 생성부를 포함한다.
본 발명에 의한 온도 감지 회로는 상기 제 1 주기신호 또는 상기 제 2 주기신호를 이용하여 상기 제 1 발진부 또는 상기 제 2 발진부의 공정 변화를 파악하고, 상기 공정 변화를 보상하기 위한 피드백 신호를 생성하는 공정 변화 보상부를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수는 온도에 대해 비선형적인 특성을 가지고, 상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이는 온도에 대해 선형적인 특성을 가진다.
상기 제 1 발진부는, 상기 제 1 주기신호와 주파수는 동일하되 위상이 다른 다수의 다중 위상 신호를 더 생성할 수 있다.
상기 온도 정보 생성부는, 제 1 구간 동안 상기 제 1 주기신호의 활성화 횟수를 업 카운팅하고, 제 2 구간 동안 상기 제 2 주기신호의 활성화 횟수를 다운 카운팅하여 상기 온도 정보를 생성하는 업-다운 카운팅부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 주기신호 및 상기 다수의 다중 위상 신호를 이용하여 미세 코드를 더 생성하는 미세 코드 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 온도 감지 방법은, 온도가 높아질수록 주파수가 낮아지는 제 1 주기신호를 생성하는 단계, 온도가 높아질수록 주파수가 높아지는 제 2 주기신호를 생성하는 단계 및 상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이를 이용하여 온도 정보를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 온도 감지 방법은 상기 제 1 주기신호 또는 상기 제 2 주기신호를 이용하여 상기 제 1 주기신호를 생성하는 제 1 발진부 또는 상기 제 2 주기신호를 생성하는 제 2 발진부의 공정 변화를 파악하고, 상기 제 1 발진부 또는 상기 제 2 발진부의 공정 변화를 보상하기 위한 피드백 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수는 온도에 대해 비선형적인 특성을 가지고, 상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이는 온도에 대해 선형적인 특성을 가진다.
본 발명에 의하면, 온도에 따른 주파수 변화를 선형적으로 보정해 줌으로써, 기존의 비선형적 특성에 의한 온도 측정 결과의 오차를 줄이고, 측정 결과의 정확성 및 해상도를 크게 높일 수 있다.
또한, 온도에 의존적인 발진 회로의 공정 과정에서 발생한 오차를 보상해 줌으로써, 공정 변화에 의한 영향을 없애고 온도 측정 결과의 정확성을 향상시킬 수 있다.
또한, 온도 감지 결과를 다중 위상 신호로 출력하고, 이를 이용하여 미세 코드를 생성함으로써, 전력 소모의 증가 없이 해상도를 획기적으로 증가시킬 수 있다.
또한, 온도 감지 결과를 나타내는 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에서 카운터 비트의 크기를 조절할 수 있도록 함으로써, 원하는 제품의 스펙에 맞도록 해상도를 쉽게 조절할 수 있다.
또한, 동작 제어 신호를 이용하여 온도 측정이 필요한 시점에서만 전체 회로를 동작시킴으로써, 불필요한 전력 소모를 줄이고 외부 시스템에서의 전압 잡음 문제를 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 온도 감지 회로의 구성도.
도 2는 도 1의 온도 감지 회로에서 출력 신호의 비선형성을 나타내기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 의한 온도 감지 회로의 일 실시예 구성도.
도 4a는 제 1 주기신호(PS1) 및 제 2 주기신호(PS2)의 온도에 따른 주파수 특성을 도시한 도면.
도 4b는 온도에 따라 선형적으로 보정된 주파수 특성을 나타내기 위한 도면.
도 5a는 도 3의 제 1, 2 발진부(301, 303)의 일 실시예 구성도.
도 5b는 도 5a의 제 1 지연단(501)의 내부 구성도.
도 6은 도 5a의 제 1 지연단(501) 내부를 상세히 나타낸 회로도.
도 7a 및 도 7b는 제 2 발진부(303)에 적용되는 바이어스 회로를 나타낸 도면.
도 8은 도 3의 공정 변화 보상부(305)의 일 실시예 구성도.
도 9는 도 8의 카운팅부(801)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도.
도 10은 도 6의 전류 공급부(601, 605)를 공정 변화 보상이 가능한 형태로 설계한 구성도.
도 11은 도 3의 온도 정보 생성부(307)의 제 1 실시예 구성도.
도 12는 도 3의 온도 정보 생성부(307)의 제 2 실시예 구성도.
도 13는 도 12의 업-다운 카운팅부(1201)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도.
도 14는 도 11의 미세 코드 생성부(1109)의 일 실시예 구성도이고, 도 15는 신호의 파형에 따른 미세 코드(FCODE<0:4>)를 나타낸 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 의한 온도 감지 회로의 일 실시예 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 온도 감지 회로는, 온도가 높아질수록 주파수가 낮아지는 제 1 주기신호(PS1)를 생성하는 제 1 발진부(301), 온도가 높아질수록 주파수가 높아지는 제 2 주기신호(PS2)를 생성하는 제 2 발진부(303) 및 제 1 주기신호(PS1)와 제 2 주기신호(PS2)의 주파수 차이를 이용하여 온도 정보(TCODE<0:7>)를 생성하는 온도 정보 생성부(307)를 포함한다.
또한, 제 1 주기신호(PS1) 또는 제 2 주기신호(PS2)를 이용하여 제 1 발진부(301) 또는 제 2 발진부(303)의 공정 변화를 파악하고, 이를 보상하기 위한 피드백 신호(FB1<1:N> 또는 FB2<1:N>)를 생성하는 공정 변화 보상부(305)를 더 포함할 수 있다. 이에 대해서는 이하 도 8 내지 도 10을 통해 상술한다.
온도 정보 생성부(307)는 제 1 주기신호(PS1)의 활성화 횟수와 제 2 주기신호(PS2)의 활성화 횟수를 각각 카운팅하고, 그 차이 값을 이용하여 온도 정보(TCODE<0:7>)를 생성할 수 있다. 이에 대해서는 이하 도 11 내지 도 13을 통해 상술한다.
제 1 발진부(301)는 제 1 주기신호(PS1)와 주파수는 동일하되 위상이 다른 다수의 다중 위상 신호(MP<0:2>)를 더 생성할 수 있다. 이 경우 온도 정보 생성부(307)는 제 1 주기신호(PS1) 및 다중 위상 신호(MP<0:2>)를 이용하여 미세 코드(FCODE<0:3>)를 더 생성할 수 있다. 미세 코드(FCODE<0:3>) 생성 과정에 대해서는 이하 도 14 및 도 15를 통해 상술한다.
제 1, 2 발진부(301, 303)는 모두 온도에 의존적인 발진 회로로 구성되며, 동일한 형태의 고리형 발진 회로(Ring Oscillator)로 구현될 수 있다. 두 발진부(301, 303)는 서로 다른 바이어스 회로의 적용을 통해 각각 온도에 따른 고유한 주파수 특성을 가지고 동작하게 된다.
제 1, 2 발진부(301, 303)는 동작 제어 신호(EN)에 의해 동작 여부가 결정될 수 있다. 즉, 동작 제어 신호(EN)가 활성화되면 두 발진부(301, 303)가 정상적으로 동작을 수행하여 온도를 측정하고, 온도 측정이 완료되어 더 이상의 동작이 필요 없는 경우에는 동작 제어 신호(EN)가 비활성화되어 발진부(301, 303)의 동작이 멈추게 된다. 이처럼 온도 측정이 불필요한 때에는 온도 감지 회로로의 전력 공급을 차단하는 절전 동작 모드를 통해 전체 회로의 전력 소모를 줄일 수 있으며, 또한 회로의 불필요한 동작에 의해 외부 시스템에 전압 잡음(Noise)이 발생하는 것을 막을 수 있다.
도 4a는 제 1 주기신호(PS1) 및 제 2 주기신호(PS2)의 온도에 따른 주파수 특성을 도시한 도면이고, 도 4b는 온도에 따라 선형적으로 보정된 주파수 특성을 나타내기 위한 도면이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1 발진부(301)에서 생성되는 제 1 주기신호(PS1)의 온도에 따른 출력 주파수(F_PS1)는 온도가 높아질수록 비선형적으로 감소하게 되며, 이러한 비선형성으로 인해 온도 측정 장치로서의 정확성을 떨어뜨리는 문제가 발생한다. 제 2 발진부(303)는 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 제 1 발진부(301)의 출력 주파수의 비선형성을 보정하기 위해 온도가 높아질수록 주파수가 비선형적으로 증가하는 제 2 주기신호(PS2)를 생성한다. 즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 1 주기신호(PS1)의 주파수(F_PS1)와 제 2 주기신호(PS2)의 주파수(F_PS2)의 차이가 선형적으로 되도록 양 주기 신호(PS1, PS2)의 주파수를 조절해 주는 것이다. 이렇게 온도에 따라 선형적으로 변하는 주파수 특성을 이용함으로써, 온도 측정의 정확성 및 해상도를 크게 높일 수가 있다. 또한, 두 발진부(301, 303)는 동일한 형태의 고리형 발진 회로를 기반으로 하여 설계되었기 때문에, 주파수 차이를 이용하는 방식에 의해 공정 변화에 의한 영향을 일정 부분 상쇄시키는 효과도 얻을 수 있다.
도 5a는 도 3의 제 1, 2 발진부(301, 303)의 일 실시예 구성도이고, 도 5b는 도 5a의 제 1 지연단(501)의 내부 구성도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 제 1, 2 발진부(301, 303)는 4개의 지연단(501, 503, 505, 507)이 연결된 고리형 발진 회로로 구현될 수 있다. 또한, 미세 코드(FCODE<0:3>) 생성에 이용되는 다중 위상 신호(MP<0:2>)의 듀티 비(Duty Ratio)를 향상시키기 위한 차동 발진 회로(Differential Oscillator) 형태로 구현될 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1 지연단(501)은 인버터(511, 515)와 래치(513)를 포함한다. 여기에서 인버터(511, 515)에 의해 입력된 신호가 출력되기까지의 지연 시간이 결정되며, 온도에 따라 지연 시간이 달라지게 된다. 4개 지연단(501, 503, 505, 507)의 내부 회로 구조 및 동작 방식은 모두 동일하다.
도 6은 도 5a의 제 1 지연단(501) 내부를 상세히 나타낸 회로도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 지연단(501)은 커런트-스타브드 지연단(Current-Starved Delay Cell)으로 구성되며, 전류 공급부(601, 603, 605, 607), 지연부(609, 611) 및 래치(513)를 포함한다. 지연부(609, 611)는 도 5b의 인버터(511, 515)를 트랜지스터 단위로 나타낸 것이다.
전류 공급부(601, 605) 및 지연부(609)를 통해 지연단에서 어떻게 온도에 따른 지연 시간이 결정되는지 살펴보면 다음과 같다. 전류 공급부(601, 605)의 PMOS 트랜지스터(P61) 및 NMOS 트랜지스터(N61)의 게이트에 각각 바이어스 전압(Vp, Vn)이 인가되고, 인가되는 바이어스 전압(Vp, Vn)의 크기에 따라 지연부(609)를 통과하는 전류의 크기가 결정된다. 이 때 지연부(609)를 통과하는 전류가 커지면 지연부(609)의 지연 시간이 짧아져, 발진 회로에서 생성되는 주기 신호(PS1, PS2)의 주파수는 높아진다. 반대로 지연부(609)를 통과하는 전류가 작아지면 지연부(609)의 지연 시간이 길어지고, 주기 신호(PS1, PS2)의 주파수는 낮아진다.
여기에서 바이어스 전압(Vp, Vn)은 별도의 바이어스 회로에 의해 결정되는데, 제 1 발진부(301)와 제 2 발진부(303)는 각각 서로 다른 바이어스 회로의 적용을 통해 서로 다른 바이어스 전압(Vp, Vn)을 인가받는다. 따라서 양 발진부(301, 303)에서 생성되는 주기신호(PS1, PS2)의 온도에 따른 주파수 특성은 도 4a에서와 같이 서로 다른 형태를 가지게 된다.
도 7a 및 도 7b는 제 2 발진부(303)에 적용되는 바이어스 회로를 나타낸 도면이다. 제 1 발진부(301)의 경우, 제 1 주기신호(PS1)의 주파수 특성과 같이 온도가 증가함에 따라 주파수가 낮아지도록 하는 바이어스 회로는 일반적으로 널리 알려져 있으므로, 상세한 설명을 생략하기로 한다.
종래의 바이어스 회로는 도 7a에서와 같이 3개의 다이오드-커넥티드(Diode-connected) MOS 트랜지스터(P71, P72, N71)가 직렬 연결된 형태로 구성된다. 그러나 이러한 회로는 전압 헤드룸(Voltage Headroom) 문제로 인해 낮은 공급 전압 조건에서는 동작하기가 어렵다. 예를 들어, 각 MOS 트랜지스터(P71, P72, N71)는 일반적으로 0.5V 정도의 문턱 전압(Threshold Voltage)을 가지고 있는데, 공급되는 전원 전압(Vcc)이 1.2V인 경우라면 MOS 트랜지스터(P71, P72, N71)의 정상 동작이 어려워진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 도 7b에서와 같이 하나의 다이오드-커넥티드 MOS 트랜지스터(P71)를 동일한 역할을 수행하는 두 개의 MOS 트랜지스터(P73, P74)로 대체하였다. 이러한 구조를 통해 MOS 트랜지스터 하나의 문턱 전압을 줄여 줌으로써 낮은 공급 전압 조건에서도 충분한 전압 조건을 확보할 수 있다.
이하, 바이어스 회로에서 바이어스 전압(Vp, Vn)이 생성되는 과정과, 바이어스 전압(Vp, Vn)에 의해 제 2 발진부(303)에서 생성되는 제 2 주기신호(PS2)의 주파수 특성이 결정되는 과정을 수학식을 바탕으로 설명하기로 한다.
일반적으로 온도가 증가하면 MOS 트랜지스터의 캐리어 이동성과 문턱 전압이 [수학식 1], [수학식 2] 와 같이 감소한다.
Figure pat00001
μ : 해당 온도에서의 캐리어 이동성(Carrier Mobility) 상수
T : 절대온도
T0 : 기준 절대온도 상수
km : 물질에 대한 소자 정보 상수
Figure pat00002
VTH : MOS 트랜지스터의 문턱 전압
α : 온도 변화에 따른 전류 변화량 상수
도 7b의 회로에서 PMOS 트랜지스터(P75)는 포화 영역(Saturation Region)에서 동작하므로, PMOS 트랜지스터(P75)에 흐르는 전류 ID는 다음 [수학식 3]과 같이 표현된다.
Figure pat00003
ID : PMOS 트랜지스터(P75)의 드레인(Drain) 전류
COX : 실리콘 절연체로 된 Oxide 층의 커패시턴스
W : PMOS 트랜지스터(P75)의 채널 폭(Channel Width)
L : PMOS 트랜지스터(P75)의 채널 길이(Channel Length)
VGS : PMOS 트랜지스터(P75)의 게이트-소스(Gate-Source) 전압
λ : PMOS 트랜지스터(P75)의 채널 폭 모듈레이션(modulation) 상수
VDS : PMOS 트랜지스터(P75)의 드레인-소스(Drain-Source) 전압
위의 [수학식 3]에서, PMOS 트랜지스터(P75)에 흐르는 전류의 크기는 게이트-소스 전압(VGS)에 의해 조절되며, 게이트-소스 전압(VGS)의 크기가 문턱 전압(VTH) 이상일 때 PMOS 트랜지스터(P75)가 턴온되어 동작한다.
[수학식 1]과 [수학식 2]를 [수학식 3]에 대입하고, 다음의 [수학식 4]를 만족하는 게이트-소스 전압(VGS)을 선택하면 온도에 따른 전류를 [수학식 5]와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
도 7b의 바이어스 회로가 적용된 제 2 발진부(303)는 [수학식 5]의 km 조건에 의해 온도에 따른 출력 주파수 특성이 결정된다. 예를 들어, km = -2인 경우 PMOS 트랜지스터(P75)에 흐르는 전류 ID는 온도에 무관한 특성을 가지고, km = -1인 경우 전류 ID는 온도에 정비례하는 관계가 된다. 여기에서 km 값은 바이어스 회로의 MOS 트랜지스터(P73, P74, P75, N72, N73, N74)의 사이즈, 특히 채널 폭(Width)을 적절히 선택해 줌으로써 조절이 가능하다.
이렇게 km 값의 조절을 통해 온도 변화에 따른 전류 ID의 특성이 결정되고, ID의 크기에 따라 바이어스 전압(Vp, Vn)의 크기가 결정된다. 바이어스 전압(Vp, Vn)은 각각 도 6의 트랜지스터(P61, N61)에 게이트 전압으로 인가되고, 트랜지스터(P61, N61)에 의해 지연부(609)를 흐르는 전류는 도 7b의 PMOS 트랜지스터(P75)를 흐르는 전류 ID와 동일한 특성을 가지게 된다.
즉, 온도의 변화에 따라 바이어스 전압(Vp, Vn)의 크기가 변화하고, 그에 따라 지연부(609)를 흐르는 전류의 크기가 변화하면서 온도에 따른 지연부(609)의 지연 시간이 결정되며, 이것이 도 4a에 도시된 바와 같이 온도의 증가에 따라 비선형적으로 증가하는 제 2 주기신호(PS2)의 주파수 특성으로 나타나게 된다. 여기에서 온도에 따른 제 2 주기신호(PS2)의 주파수 특성은 제 1 주기신호(PS2)의 주파수 특성이 가지는 비선형성을 상쇄시켜 두 주파수 특성의 차이가 도 4b와 같이 선형적으로 되도록 조절된다.
도 8은 도 3의 공정 변화 보상부(305)의 일 실시예 구성도이다.
동일한 온도 조건이더라도 제 1, 2 주기신호(PS1, PS2)의 주파수는 제 1, 2 발진부(301, 303)의 공정 변화에 의해 달라질 수 있다. 따라서, 온도 측정 결과의 정확성을 더욱 향상시키기 위해서는 정해진 조건에서 제 1, 2 주기신호(PS1, PS2)의 주파수 범위를 파악하여 제 1, 2 발진부(301, 303)의 공정 변화 정도를 확인하고 이를 보상해 주어야 한다. 공정 변화 보상부(305)는 이러한 역할을 수행한다.
도 8을 참조하면, 공정 변화 보상부(305)는, 일정 시간 동안 제 1 주기신호(PS1) 또는 제 2 주기신호(PS2)의 활성화 횟수를 카운팅하여 공정 변화 코드(q<0:2>)를 생성하는 카운팅부(801), 공정 변화 코드(q<0:2>)를 기준 코드와 비교하여 피드백 신호(FB1<1:N> 또는 FB2<1:N>)를 생성하는 피드백 생성부(805)를 포함한다. 또한, 카운팅부(801)가 고정된 시간 동안 카운팅 동작을 수행하도록 하는 제 1, 2 제어신호(CTRL1, CTRL2)를 생성하는 제어부(803)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 제 1 발진부(301)의 공정 변화 보상을 위한 피드백 신호(FB1<1:N>)를 통해 공정 변화 보상부(305)의 동작을 설명한다. 제 2 발진부(303)에 대해서도 동일하게 적용 가능하다.
카운팅부(801)는 카운터(811 ~ 813)와 샘플러(814 ~ 816)를 포함하여 구성된다. 제 1 주기신호(PS1)가 카운팅부(801)로 입력되면 제 1 제어신호(CTRL1)의 활성화 시점부터 카운터(811 ~ 813)가 카운팅 동작을 수행하여 공정 변화 코드(q<0:2>)를 생성한다. 샘플러(814 ~ 816)는 제 2 제어신호(CTRL2)가 활성화되는 시점에서 공정 변화 코드(q<0:2>)를 샘플링하여 피드백 생성부로 전달한다.
피드백 생성부(805)는 온도 조건에 따른 기준 코드를 저장하고 있으며, 제 2 제어신호(CTRL2) 활성화 시점의 공정 변화 코드(q<0:2>)를 저장된 기준 코드와 비교하여 제 1 발진부(301)의 공정 변화를 보상해 주기 위한 피드백 신호(FB1<1:N>)를 생성한다.
도 9는 도 8의 카운팅부(801)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 카운팅부(801)에서는 제 1 제어신호(CTRL1)의 활성화 시점부터 제 2 제어신호(CTRL2)의 활성화 시점까지의 고정된 시간 동안에 제 1 주기신호(PS1)의 활성화 횟수를 카운팅하게 된다. 만약 피드백 생성부(805)에 일반적인 공정 조건에서의 기준 코드가 "001" 또는 "110"으로 저장되어 있다면, 도 9에서 제 2 제어신호(CTRL2)의 활성화 시점에서의 공정 변화 코드(q<0:2>)가 "001"이므로, 본 실시예에서의 제 1 발진부(301)는 일반적인 공정 조건에 부합하는 것이 된다. 그러나, 만약 제 2 제어신호(CTRL2)의 활성화 시점에서의 공정 변화 코드(q<0:2>)가 "101", "011" 또는 "111"이라면 제 1 주기신호(PS1)의 주파수가 기준보다 낮은 것이고, 공정 변화 코드(q<0:2>)가 "010", "100" 또는 "000"이라면 제 1 주기신호(PS1)의 주파수가 기준보다 높은 것이다. 이러한 경우 공정 변화에 대한 보상이 필요하게 된다.
이러한 공정 변화 보상부(305)의 공정 조건 확인 과정은 본 발명의 온도 측정 단계 이전에 짧은 시간에 걸쳐 1회 진행될 수 있으며, 이후에는 저장된 피드백 신호(FB1<1:N>)를 통해 공정 변화를 보상한 발진부(301)의 출력을 얻을 수 있다.
도 10은 도 6의 전류 공급부(601, 605)를 공정 변화 보상이 가능한 형태로 설계한 구성도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 전류 공급부(601)는 피드백 신호(FB1<1:N>)에 의해 스위칭 온/오프 되어 바이어스 전압(Vp)의 인가 여부가 결정되는 PMOS 트랜지스터(PM1 ~ PMn)를 포함하고, 전류 공급부(605)는 피드백 신호(FB1<1:N>)에 의해 스위칭 온/오프 되어 바이어스 전압(Vn)의 인가 여부가 결정되는 NMOS 트랜지스터(NM1 ~ NMn)를 포함한다. 도시된 스위치는 패스게이트 등으로 간단하게 구현이 가능하다.
피드백 신호(FB<1:N>)를 통해 각 PMOS 트랜지스터(PM1 ~ PMn) 및 NMOS 트랜지스터(NM1 ~ NMn)의 턴온 여부를 결정함으로써 지연부(609)를 흐르는 전류의 크기를 조절할 수 있고, 이를 통해 지연 시간을 늘리거나 줄일 수 있으므로 공정 변화에 의한 주파수 오차를 보상할 수 있게 된다.
도 11은 도 3의 온도 정보 생성부(307)의 제 1 실시예 구성도이다.
도 11을 참조하면, 제 2 실시예에 의한 온도정보 생성부(307)는, 제 1 주기신호(PS1)의 활성화 횟수를 카운팅하여 제 1 코드(UP<0:7>)를 생성하고 제 2 주기신호(PS2)의 활성화 횟수를 카운팅하여 제 2 코드(DOWN<0:7>)를 생성하는 카운팅부(1101) 및 제 1 코드(UP<0:7>)와 제 2코드(DOWN<0:7>)의 차이 값을 온도 정보(TCODE<0:7>)로 변환하는 연산부(1107)를 포함한다. 또한, 제 1 주기신호(PS1) 및 다수의 다중 위상 신호(MP<0:2>)를 이용하여 미세 코드(FCODE<0:3>)를 더 생성하는 미세코드 생성부(1109)를 더 포함할 수 있다. 여기에서 제 1 코드(UP<0:7>), 제 2 코드(DOWN<0:7>) 및 온도 정보(TCODE<0:7>)는 8비트의 디지털 신호이고, 미세 코드(FCODE<0:3>)는 4비트의 디지털 신호이다.
카운팅부(1101)는 제 1 코드(UP<0:7>)를 생성하는 제 1 카운터(1103)와 제 2 코드(DOWN<0:7>)를 생성하는 제 2 카운터(1105)를 포함한다. 제 1 카운터(1103)와 제 2 카운터(1105)는 일정 시간 동안에 각각 제 1 주기신호(PS1)와 제 2 주기신호(PS2)의 활성화 횟수를 카운팅하여 제 1 코드(UP<0:7>)와 제 2 코드(DOWN<0:7>)를 생성한다.
여기에서, 카운팅부(1101)의 카운터 비트 수를 높이거나 낮춤으로써 온도 감지의 해상도를 높이거나 낮출 수 있다. 따라서 원하는 온도 측정 장치의 스펙에 맞도록 온도 감지 회로의 해상도 조절이 가능하다.
연산부(1107)는 제 1 코드(UP<0:7>)의 값에서 제 2 코드(DOWN<0:7>)의 값을 뺀 결과를 온도 정보(TCODE<0:7>)로 출력한다. 제 1 코드(UP<0:7>)의 값은 제 1 주기신호(PS1)의 주파수를, 제 1 코드(UP<0:7>)의 값은 제 2 주기신호(PS2)의 주파수를 의미하므로, 온도 정보(TCODE<0:7>)는 양 주파수의 차이값을 디지털 신호로 변환한 형태가 된다.
도 12는 도 3의 온도 정보 생성부(307)의 제 2 실시예 구성도이다.
도 12를 참조하면, 제 2 실시예에 의한 온도 정보 생성부(307)는, 제 1 구간 동안 제 1 주기신호(PS1)의 활성화 횟수를 업 카운팅하고, 제 2 구간 동안 제 2 주기신호(PS2)의 활성화 횟수를 다운 카운팅하여 온도 정보(TCODE<0:7>)를 생성하는 업-다운 카운팅부(1201)를 포함한다. 여기에서 제 1 구간과 제 2 구간의 크기는 동일하다. 또한, 제 1 주기신호(PS1) 및 다수의 다중 위상 신호(MP<0:2>)를 이용하여 미세 코드(FCODE<0:3>)를 더 생성하는 미세코드 생성부(1109)를 더 포함할 수 있다.
업-다운 카운팅부(1201)는, 제 1 주기신호(PS1)와 제 2 주기신호(PS2)를 선택적으로 통과시키는 MUX(1203) 및 MUX(1203) 통과 신호의 활성화 횟수를 업 카운팅 또는 다운 카운팅하여 온도 정보(TCODE<0:7>)를 생성하는 업-다운 카운터(1205)를 포함한다. 여기에서, 제 1 실시예에서와 마찬가지로, 카운터 비트 수를 조절하여 원하는 제품의 스펙에 맞도록 해상도를 조절할 수 있다.
도 13는 도 12의 업-다운 카운팅부(1201)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
먼저 제 1 구간에서 리셋 신호(Reset)가 활성화되면 업-다운 카운터(1205)가 초기화되고, 업다운 신호(Up-Down)가 "하이(High)" 상태로 MUX(1203)와 업-다운 카운터(1205)에 인가된다. 업다운 신호(Up-Down)가 "하이"일 때 MUX(1203)는 제 1 주기신호(PS1)를 통과시키고, 업-다운 카운터(1205)는 입력받은 제 1 주기신호(PS1)의 활성화 횟수를 업 카운팅한다.
제 2 구간에서는 업-다운 신호(Up-Down)가 "로우(Low)" 상태로 바뀌어 MUX(1203)와 업-다운 카운터(1205)에 인가된다. 업다운 신호(UP-Down)가 "로우"일 때 MUX(1203)는 제 2 주기신호(PS2)를 통과시키고, 업-다운 카운터(1205)는 입력받은 제 2 주기신호(PS2)의 활성화 횟수를 다운 카운팅한다.
이어서 리셋 신호(Reset)가 다시 활성화되면, 그 시점의 카운팅 값이 카운터 버퍼(도면에 미도시) 등에 저장되었다가 온도 정보(TCODE<0:7>)로 출력되면서 한 주기의 온도 측정이 종료된다.
도 14는 도 11의 미세 코드 생성부(1109)의 일 실시예 구성도이고, 도 15는 신호의 파형에 따른 미세 코드(FCODE<0:4>)를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 미세 코드 생성부(1109)는, 제 1 주기신호(PS1)와 다중 위상 신호(MP<0:2>)를 샘플링하는 샘플러(1401 ~ 1404) 및 샘플링 결과를 이용하여 미세 코드(FCODE<0:3>)를 생성하는 코드 생성기(1405)를 포함한다.
샘플러(1401 ~ 1404)는 코드 발생 신호(FCG)가 "하이"로 활성화되는 시점에 제 1 주기신호(PS1) 및 다수의 다중 위상 신호(MP<0> ~ MP<2>)의 활성화 여부를 파악하여 출력하고, 코드 생성기(1405)는 이 출력 결과를 이용하여 미세 코드(FCODE<0:3>)를 생성한다. 생성된 미세 코드(FCODE<0:3>)는 제 1 주기신호(PS1)의 한 주기를 8등분하여 온도를 더욱 미세하게 표현하는 효과를 가져오게 된다.
만약 하나의 위상만을 가지는 제 1 주기신호(PS1)만을 이용하여 주파수를 측정할 경우, 라이징 엣지(Rising Edge)의 개수에 의해 주파수가 측정되므로, 도 15에서와 같이 주파수가 미세하게 다른 8개의 제 1 주기신호(PS1)가 생성되더라도 일정 시간 내에 라이징 엣지가 나타나는 횟수는 모두 3회로 동일하여 주파수 측정 결과는 모두 동일한 온도 정보(TCODE<0:7>)로 표현된다.
그러나 본 발명에서는 도 15에 도시된 바와 같이 코드 발생 신호(FCG)의 활성화 시점에서 위상이 서로 다른 4개의 신호(PS1, MP<0> ~ MP<2>)의 출력값을 이용하여 8개의 서로 다른 미세 코드(FCODE<0:3>)를 생성함으로써 온도 측정의 해상도를 크게 높일 수가 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (14)

  1. 온도가 높아질수록 주파수가 낮아지는 제 1 주기신호를 생성하는 제 1 발진부;
    온도가 높아질수록 주파수가 높아지는 제 2 주기신호를 생성하는 제 2 발진부; 및
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이를 이용하여 온도 정보를 생성하는 온도 정보 생성부
    를 포함하는 온도 감지 회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수는 온도에 대해 비선형적인 특성을 가지고,
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이는 온도에 대해 선형적인 특성을 가지는
    온도 감지 회로.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 정보 생성부는
    상기 제 1 주기신호의 활성화 횟수를 카운팅하여 제 1 코드를 생성하고 상기 제 2 주기신호의 활성화 회수를 카운팅하여 제 2 코드를 생성하는 카운팅부; 및
    상기 제 1 코드 및 상기 제 2 코드의 차이 값을 상기 온도 정보로 변환하는 연산부를 포함하는
    온도 감지 회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 발진부는
    상기 제 1 주기신호와 주파수는 동일하되 위상이 다른 다수의 다중 위상 신호를 더 생성하는
    온도 감지 회로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 온도 정보 생성부는
    상기 제 1 주기신호 및 상기 다수의 다중 위상 신호를 이용하여 미세 코드를 더 생성하는 미세 코드 생성부를 포함하는
    온도 감지 회로.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 발진부 및 상기 제 2 발진부는
    동작 제어 신호의 활성화시에 동작하고, 상기 동작 제어 신호의 비활성화시에는 동작하지 않는
    온도 감지 회로.
  7. 온도가 높아질수록 주파수가 낮아지는 제 1 주기신호를 생성하는 제 1 발진부;
    온도가 높아질수록 주파수가 높아지는 제 2 주기신호를 생성하는 제 2 발진부;
    상기 제 1 주기신호 또는 상기 제 2 주기신호를 이용하여 상기 제 1 발진부 또는 상기 제 2 발진부의 공정 변화를 파악하고, 상기 공정 변화를 보상하기 위한 피드백 신호를 생성하는 공정 변화 보상부; 및
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이를 이용하여 온도 정보를 생성하는 온도 정보 생성부
    를 포함하고,
    상기 제 1 발진부 또는 상기 제 2 발진부는 상기 피드백 신호에 응답하여 상기 제 1 주기신호 또는 상기 제 2 주기신호를 생성하는
    온도 감지 회로.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수는 온도에 대해 비선형적인 특성을 가지고,
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이는 온도에 대해 선형적인 특성을 가지는
    온도 감지 회로.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 공정 변화 보상부는
    일정 시간 동안 상기 제 1 주기신호 또는 상기 제 2 주기신호의 활성화 횟수를 카운팅하여 공정 변화 코드를 생성하는 카운팅부; 및
    상기 공정 변화 코드를 기준 코드와 비교하여 상기 피드백 신호를 생성하는 피드백 생성부를 포함하는
    온도 감지 회로.
  10. 온도가 높아질수록 주파수가 낮아지는 제 1 주기신호를 생성하는 단계;
    온도가 높아질수록 주파수가 높아지는 제 2 주기신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이를 이용하여 온도 정보를 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수는 온도에 대해 비선형적인 특성을 가지며, 상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이는 온도에 대해 선형적인 특성을 가지는
    는 온도 감지 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 온도 정보 생성 단계는
    상기 제 1 주기신호의 활성화 횟수를 카운팅하여 제 1 코드를 생성하는 단계;
    상기 제 2 주기신호의 활성화 회수를 카운팅하여 제 2 코드를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 코드 및 상기 제 2 코드의 차이 값을 상기 온도 정보로 변환하는 단계를 포함하는
    온도 감지 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 주기신호와 주파수는 동일하되 위상이 다른 다수의 다중 위상 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 주기신호 및 상기 다수의 다중 위상 신호를 이용하여 미세 코드를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 온도 감지 방법.
  13. 온도가 높아질수록 주파수가 낮아지는 제 1 주기신호를 생성하는 단계;
    온도가 높아질수록 주파수가 높아지는 제 2 주기신호를 생성하는 단계;
    상기 제 1 주기신호 또는 상기 제 2 주기신호를 이용하여 상기 제 1 주기신호를 생성하는 제 1 발진부 또는 상기 제 2 주기신호를 생성하는 제 2 발진부의 공정 변화를 파악하고, 상기 제 1 발진부 또는 상기 제 2 발진부의 공정 변화를 보상하기 위한 피드백 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 주기신호 및 상기 제 2 주기신호의 주파수 차이를 이용하여 온도 정보를 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제 1 주기신호 또는 상기 제 2 주기신호는 상기 피드백 신호에 응답하여 생성되는
    온도 감지 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 피드백 신호 생성 단계는
    일정 시간 동안 상기 제 1 주기신호 또는 상기 제 2 주기신호의 활성화 횟수를 카운팅하여 공정 변화 코드를 생성하는 단계; 및
    상기 공정 변화 코드를 기준 코드와 비교하여 상기 피드백 신호를 생성하는 단계를 포함하는
    온도 감지 방법.
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